Ny teknik til at skabe NV-dopede nanodiamanter kan være et boost til kvanteberegning

Forskere ved North Carolina State University har udviklet en ny teknik til at skabe NV-dopede single-crystal nanodiamonds, kun fire til otte nanometer brede, som kunne tjene som komponenter i rumtemperatur kvanteberegningsteknologier. Disse dopede nanodiamanter holder også løfte om brug i enkelt-foton sensorer og ikke-giftige, fluorescerende biomarkører.

I øjeblikket, computere bruger binær logik, hvor hver binær enhed - eller bit - er i en af ​​to tilstande:1 eller 0. Quantum computing gør brug af superposition og sammenfiltring, muliggør oprettelse af kvantebits - eller qubits - som kan have et stort antal mulige tilstande. Quantum computing har potentiale til at øge computerkraft og hastighed betydeligt.

En række muligheder er blevet undersøgt til oprettelse af kvanteberegningssystemer, herunder brug af diamanter, der har "nitrogen-ledige" centre. Det er her, denne forskning kommer ind.

Normalt, diamant har en meget specifik krystallinsk struktur, bestående af gentagne diamanttetraeder, eller terninger. Hver terning indeholder fem carbonatomer. NC State -forskergruppen har udviklet en ny teknik til at skabe diamanttetraeder, der har to carbonatomer; en ledig stilling, hvor et atom mangler; et carbon-13 atom (en stabil carbonisotop, der har seks protoner og syv neutroner); og et nitrogenatom. Dette kaldes NV -centeret. Hver NV-dopet nanodiamond indeholder tusindvis af atomer, men har kun et NV -center; resten af ​​tetraederne i nanodiamonden er udelukkende lavet af kulstof.

Det er en atomisk lille forskel, men det gør en stor forskel.

"Den lille prik, NV -centret, gør nanodiamanten til en qubit, "siger Jay Narayan, John C. Fan Distinguished Chair Professor i materialevidenskab og teknik ved NC State og hovedforfatter til et papir, der beskriver arbejdet. "Hvert NV-center har to overgange:NV0 og NV-. Vi kan gå frem og tilbage mellem disse to tilstande ved hjælp af elektrisk strøm eller laser. Disse nanodiamanter kan tjene som de grundlæggende byggesten i en kvantecomputer."

For at skabe disse NV-dopede nanodiamanter, forskerne starter med et substrat, såsom safir, glas eller en plastpolymer. Substratet belægges derefter med amorft carbon - elementært carbon, der, i modsætning til grafit eller diamant, har ikke en regelmæssig, veldefineret krystallinsk struktur. Mens filmen deponeres af amorft carbon, forskerne bombarderer det med nitrogenioner og carbon-13 ioner. Kulstoffet rammes derefter med en laserpuls, der hæver temperaturen af ​​kulstoffet til cirka 4, 000 Kelvin (eller omkring 3, 727 grader Celsius) og slukkes derefter hurtigt. Operationen afsluttes inden for en milliondel af et sekund og finder sted i en atmosfære - det samme tryk som den omgivende luft. Ved at bruge forskellige substrater og ændre varigheden af ​​laserpulsen, forskerne kan kontrollere, hvor hurtigt kulstoffet afkøles, som giver dem mulighed for at skabe nanodiamondstrukturer.

"Vores tilgang reducerer urenheder; styrer størrelsen på den NV-dopede nanodiamond; giver os mulighed for at placere nanodiamanterne med en rimelig mængde præcision; og inkorporerer carbon-13 direkte i materialet, som er nødvendig for at skabe den sammenfiltring, der kræves i kvanteberegning, "Siger Narayan." Alle nanodiamanter er nøjagtigt justeret gennem paradigmet for domænetilpasning af epitaxy, hvilket er et betydeligt fremskridt i forhold til eksisterende teknikker til at skabe NV-dopede nanodiamanter. "

"Den nye teknik tilbyder ikke kun enestående kontrol og ensartethed i de NV-dopede nanodiamanter, det er også billigere end eksisterende teknikker, "Siger Narayan." Forhåbentlig, dette vil muliggøre betydelige fremskridt inden for kvanteberegning. "

Forskerne taler i øjeblikket med offentlige og private grupper om, hvordan de kan komme videre. Et interesseområde er at udvikle et middel til at oprette selvsamlende systemer, der inkorporerer sammenfiltrede NV-dopede nanodiamanter til kvanteberegning.

Papiret, "Ny syntese og egenskaber ved rene og NV-dopede nanodiamanter og andre nanostrukturer, "er offentliggjort i tidsskriftet Materialeforskningsbreve .