Forbedring af forståelsen af ​​kvanteverdenen med kvanteprikker

Kvanteadfærd spiller en afgørende rolle i nye og nye materialeegenskaber, såsom superledning og magnetisme. Desværre, det er stadig umuligt at beregne den underliggende kvanteadfærd, endsige fuldt ud forstå det. Forskere fra QuTech, Kavli Institute of Nanoscience i Delft og TNO, i samarbejde med ETH Zürich og University of Maryland, er det nu lykkedes at bygge et "kunstigt materiale", der efterligner denne type kvanteadfærd i lille skala. Derved, de har lagt grundlaget for ny indsigt og potentielle anvendelser. Deres arbejde udgives i dag i Natur .

I løbet af det seneste århundrede, en øget forståelse af halvledermaterialer har ført til mange teknologiske forbedringer, såsom computerchips, der bliver stadig hurtigere og mindre. Vi er, imidlertid, gradvist at nå grænserne for Moores lov, tendensen, der forudsiger en fordobling af computerkraften til halv pris hvert andet år. Men denne forudsigelse ignorerer muligheden for, at computere kan udnytte kvantefysikken.

"Der er så meget fysik tilbage at opdage, om vi virkelig ønsker at forstå materialer i den mindste skala, " siger Lieven Vandersypen, en professor ved TU Delft i Holland og den ledende eksperimentalist på det nye papir. Og at ny fysik skal bringe endnu mere ny teknologi med sig. "Vanskeligheden er, at i denne skala, kvanteteori bestemmer elektronernes adfærd, og det er praktisk talt umuligt at beregne denne adfærd nøjagtigt, selv for blot en håndfuld elektroner, bruger selv de mest kraftfulde supercomputere, " siger Vandersypen.

Forskere kombinerer nu kraften fra halvlederindustrien med deres viden om kvanteteknologi for at efterligne elektronernes adfærd i materialer - en teknik kendt som kvantesimulering. "Jeg håber at, i den nærmeste fremtid, dette vil sætte os i stand til at lære så meget om materialer, at vi kan åbne nogle vigtige døre inden for teknologi, såsom design af superledere ved stuetemperatur, at muliggøre tabsfri energitransport over lange afstande, for eksempel, " siger Vandersypen.

Efterligner naturen

Det har længe været kendt, at individuelle elektroner kan være begrænset til små områder på en chip, kendt som kvanteprikker. Der er, i princippet, velegnet til at forske i elektronernes adfærd og interaktioner i materialer. De indfangede elektroner kan bevæge sig, eller tunnel, mellem kvantepunkterne på en kontrolleret måde, mens de interagerer gennem frastødning af deres negative ladninger. "Processer som disse i kvanteprikker, afkølet til en brøkdel af en grad over det absolutte nulpunkt, er perfekt egnet til at simulere de elektroniske egenskaber af nye materialer, siger Toivo Hensgens, en kandidatstuderende ved TU Delft og hovedforfatter af papiret.

I praksis, det er en stor udfordring at kontrollere elektronerne i kvanteprikker så præcist, at den underliggende fysik bliver synlig. Ufuldkommenheder i kvantechips og ineffektive metoder til at kontrollere elektronerne i prikkerne har gjort dette til en særlig svær nød at knække.

Kvanteudstyr

Forskere har nu demonstreret en metode, der både er effektiv og kan skaleres op til et større antal kvanteprikker. Antallet af elektroner i hver kvanteprik kan indstilles fra 0 til 4, og chancen for tunnel mellem nabopunkter kan varieres fra ubetydelig til det punkt, hvor naboprikker faktisk bliver til en stor prik. "Vi bruger spændinger til at forvrænge det (potentielle) landskab, som elektronerne fornemmer, " forklarer Hensgens. "Den spænding bestemmer antallet af elektroner i prikkerne og den relative vekselvirkning mellem dem."

I en kvantechip med tre kvanteprikker, QuTech-teamet har vist, at de er i stand til at simulere en række materialeprocesser eksperimentelt. Men det vigtigste resultat er den metode, som de har demonstreret. "Vi er nu let i stand til at tilføje flere kvanteprikker med elektroner og kontrollere det potentielle landskab på en sådan måde, at vi i sidste ende kan simulere meget store og interessante kvanteprocesser, siger Hensgens.

Vandersypen-teamet sigter mod at udvikle sig mod flere kvanteprikker så hurtigt som muligt. For at opnå det, han og hans kolleger har indgået et tæt samarbejde med chipproducenten Intel. "Deres viden og ekspertise inden for halvlederfremstilling kombineret med vores dybe forståelse af kvantekontrol giver muligheder, som nu er klar til at bære frugt, " han siger.