Accelererende kvanteteknologier med materialebehandling på atomær skala

'Kvanteteknologier' udnytter de unikke fænomener kvanteoverlejring og sammenfiltring til at kode og behandle information, med potentielt store fordele for en lang række informationsteknologier fra kommunikation til sensing og computing.

En stor udfordring ved udviklingen af ​​disse teknologier er imidlertid, at kvantefænomenerne er meget skrøbelige, og kun en håndfuld fysiske systemer er blevet identificeret, hvor de overlever længe nok og er tilstrækkeligt kontrollerbare til at være nyttige. Atomfejl i materialer som diamant er et sådant system, men mangel på teknikker til fremstilling og konstruktion af krystaldefekter i atomskala har hidtil begrænset fremskridt.

Et team af forskere demonstrerer, i et papir udgivet i Optica , succesen med den nye metode til at skabe særlige defekter i diamanter kendt som nitrogen-vacancy (NV) farvecentre. Disse omfatter en nitrogenrenhed i diamantgitteret (kulstof) placeret ved siden af ​​et tomt gittersted eller et tomrum. NV -centrene skabes ved at fokusere en sekvens af ultrahurtige laserpulser ind i diamanten, den første har en energi, der er høj nok til at generere ledige pladser i midten af ​​laserfokus, med efterfølgende impulser ved en lavere energi til at mobilisere de ledige stillinger, indtil en af ​​dem binder sig til en nitrogen -urenhed og danner det nødvendige kompleks.

Den nye forskning blev udført af et hold ledet af Prof Jason Smith i Institut for Materialer, University of Oxford, og Dr. Patrick Salter og Prof Martin Booth i Institut for Ingeniørvidenskab, University of Oxford, i samarbejde med kolleger ved University of Warwick. Det fandt sted inden for forskningsprogrammet NQIT, Quantum Computing Technology Hub i det britiske Quantum Technologies-program, med støtte fra DeBeers UK, der leverede diamantprøven.

Forskernes nye metode indebærer, at der bruges en følsom fluorescensmonitor til at detektere lys, der udsendes fra fokalområdet, så processen kan kontrolleres aktivt som reaktion på det observerede signal. Ved at kombinere lokal kontrol og feedback, den nye metode letter produktionen af ​​arrays af enkelte NV -centre med præcis et farvecenter på hvert sted - en nøglefunktion i opbygningen af ​​skalerbare teknologier. Det tillader også præcis placering af fejlene, vigtigt for konstruktionen af ​​integrerede enheder. Den hurtige enkelttrinsproces automatiseres nemt, idet hvert NV-center kun tager sekunder at oprette.

Prof Martin Booth siger:'Farvecentre i diamant tilbyder en meget spændende platform for udvikling af kompakte og robuste kvanteteknologier, og denne nye proces er en potentiel game-changer i konstruktionen af ​​de nødvendige materialer. Der er stadig mere arbejde at gøre med at optimere processen, men forhåbentlig vil dette trin bidrage til at fremskynde levering af disse teknologier. '

Forskerne mener, at denne metode i sidste ende kan bruges til at fremstille centimeterstore diamantspåner indeholdende 100, 000 eller flere NV -centre som en rute mod kvanteteknologiers 'hellige gral', en universel fejltolerant kvantecomputer.

Prof Jason Smith siger:'De første kvantecomputere begynder nu at dukke op, men disse maskiner, imponerende som de er, kun ridse overfladen af, hvad der kan opnås, og de platforme, der bruges, er muligvis ikke tilstrækkeligt skalerbare til at realisere den fulde kraft, som kvantecomputere har at tilbyde. Diamantfarvecentre kan give en løsning på dette problem ved at pakke høje tætheder af qubits på en solid state -chip, som kunne vikles ind i hinanden ved hjælp af optiske metoder til at danne hjertet i en kvantecomputer. Evnen til at skrive NV centre til diamant med en høj grad af kontrol er et vigtigt første skridt i retning af disse og andre enheder. '