Fysikere registrerer grafen qubits levetid

Forskere fra MIT og andre steder har registreret, for første gang, "tidsmæssig sammenhæng" i en grafenkvbit - hvilket betyder, hvor længe den kan opretholde en særlig tilstand, der gør det muligt at repræsentere to logiske tilstande samtidigt. Demonstrationen, som brugte en ny slags grafenbaseret qubit, repræsenterer et kritisk skridt fremad for praktisk kvanteberegning, siger forskerne.

Superledende kvantebits (simpelthen, qubits) er kunstige atomer, der bruger forskellige metoder til at producere bits af kvanteinformation, den grundlæggende komponent i kvantecomputere. Ligesom traditionelle binære kredsløb i computere, qubits kan opretholde en af ​​to tilstande svarende til de klassiske binære bits, a 0 eller 1. Men disse qubits kan også være en superposition af begge tilstande samtidigt, som kunne give kvantecomputere mulighed for at løse komplekse problemer, der praktisk talt er umulige for traditionelle computere.

Mængden af ​​tid, som disse qubits opholder sig i denne superpositionstilstand, kaldes deres "sammenhængstid". Jo længere sammenhængstid, jo større er evnen for qubit til at beregne komplekse problemer.

For nylig, forskere har indarbejdet grafenbaserede materialer i superledende kvanteberegningsudstyr, som lover hurtigere, mere effektiv computing, blandt andre frynsegoder. Indtil nu, imidlertid, der har ikke været registreret sammenhæng for disse avancerede qubits, så der er ingen viden om, om de er mulige til praktisk kvanteberegning.

I et papir, der blev offentliggjort i dag i Natur nanoteknologi , forskerne demonstrerer, for første gang, en sammenhængende qubit lavet af grafen og eksotiske materialer. Disse materialer gør det muligt for qubit at ændre tilstande gennem spænding, meget gerne transistorer i nutidens traditionelle computerchips - og i modsætning til de fleste andre former for superledende qubits. I øvrigt, forskerne satte et tal til den sammenhæng, klokker det til 55 nanosekunder, før qubit vender tilbage til sin grundtilstand.

Værket kombinerede ekspertise fra medforfattere William D. Oliver, en fysikprofessor i praksis og Lincoln Laboratory Fellow, hvis arbejde fokuserer på kvanteberegningssystemer, og Pablo Jarillo-Herrero, Cecil og Ida Green professor i fysik ved MIT, der forsker i innovationer inden for grafen.

"Vores motivation er at bruge grafens unikke egenskaber til at forbedre ydeevnen for superledende qubits, "siger første forfatter Joel I-Jan Wang, en postdoc i Olivers gruppe i Research Laboratory of Electronics (RLE) på MIT. "I dette arbejde, vi viser for første gang, at en superledende qubit fremstillet af grafen er tidsmæssigt kvantesammenhængende, en vigtig forudsætning for at bygge mere sofistikerede kvantekredsløb. Vores er den første enhed, der viser en målbar sammenhængstid - en primær metrik for en qubit - der er lang nok til, at mennesker kan kontrollere. "

Der er 14 andre medforfattere, herunder Daniel Rodan-Legrain, en kandidatstuderende i Jarillo-Herreros gruppe, der bidrog lige meget til arbejdet med Wang; MIT -forskere fra RLE, Institut for Fysik, Institut for Elektroteknik og Datalogi, og Lincoln Laboratory; og forskere fra Laboratory of Bestrålede faste stoffer ved École Polytechnique og Advanced Materials Laboratory fra National Institute for Materials Science.

En uberørt grafensandwich

Superledende qubits er afhængige af en struktur kendt som et "Josephson -kryds, "hvor en isolator (normalt et oxid) er klemt mellem to superledende materialer (normalt aluminium). I traditionelle afstembare qubit -designs, en strømsløjfe skaber et lille magnetfelt, der får elektroner til at hoppe frem og tilbage mellem de superledende materialer, får qubit til at skifte tilstand.

Men denne flydende strøm forbruger meget energi og forårsager andre problemer. For nylig, et par forskergrupper har erstattet isolatoren med grafen, et atom-tykt lag kulstof, der er billigt at masseproducere og har unikke egenskaber, der muliggør hurtigere, mere effektiv beregning.

For at fremstille deres qubit, forskerne vendte sig til en klasse materialer, kaldet van der Waals materialer-atom-tynde materialer, der kan stables som Legos oven på hinanden, med lidt eller ingen modstand eller skade. Disse materialer kan stables på bestemte måder til at skabe forskellige elektroniske systemer. På trods af deres næsten fejlfri overfladekvalitet, kun få forskergrupper har nogensinde anvendt van der Waals -materialer til kvantekredsløb, og ingen har tidligere vist sig at udvise tidsmæssig sammenhæng.

Til deres Josephson -kryds, forskerne klemte et ark grafen ind mellem de to lag af en van der Waals -isolator kaldet sekskantet bornitrid (hBN). Vigtigere, grafen påtager sig superledningen af ​​de superledende materialer, den rører ved. De udvalgte van der Waals -materialer kan laves til at indlede elektroner rundt ved hjælp af spænding, i stedet for det traditionelle strømbaserede magnetfelt. Derfor, det kan grafen - og det samme kan hele qubit.

Når spændingen påføres qubit, elektroner hopper frem og tilbage mellem to superledende ledninger forbundet med grafen, ændring af qubit fra jorden (0) til exciteret eller superpositionstilstand (1). Det nederste hBN -lag fungerer som et substrat til at være vært for grafen. Det øverste hBN -lag indkapsler grafen, beskytter den mod enhver forurening. Fordi materialerne er så uberørte, de elektroner, der bevæger sig rundt, interagerer aldrig med defekter. Dette repræsenterer den ideelle "ballistiske transport" for qubits, hvor et flertal af elektroner bevæger sig fra et superledende bly til et andet uden at spredes med urenheder, lave en hurtig, nøjagtig ændring af stater.

Sådan hjælper spænding

Arbejdet kan hjælpe med at tackle qubit -skaleringsproblemet, "Siger Wang. I øjeblikket er kun omkring 1, 000 qubits kan passe på en enkelt chip. At have qubits styret af spænding vil være særligt vigtigt, da millioner af qubits begynder at blive proppet på en enkelt chip. "Uden spændingskontrol, du får også brug for tusinder eller millioner af nuværende sløjfer, og det fylder meget og fører til energispredning, " han siger.

Derudover spændingskontrol betyder større effektivitet og en mere lokaliseret, præcis målretning af individuelle qubits på en chip, uden "cross talk". Det sker, når en lille smule af magnetfeltet skabt af strømmen forstyrrer en qubit, den ikke er målrettet mod, forårsager beregningsproblemer.

For nu, forskernes qubit har en kort levetid. Til reference, konventionelle superledende qubits, der giver løfte om praktisk anvendelse, har dokumenteret sammenhængstider på et par titalls mikrosekunder, et par hundrede gange større end forskernes qubit.

Men forskerne behandler allerede flere spørgsmål, der forårsager denne korte levetid, hvoraf de fleste kræver strukturelle ændringer. De bruger også deres nye kohærensundersøgelsesmetode til yderligere at undersøge, hvordan elektroner bevæger sig ballistisk rundt om qubitterne, med det formål at udvide sammenhængen mellem qubits generelt.