Valley-stater i dette supertynde materiale kan potentielt bruges til kvanteberegning

Ny forskning om todimensionalt wolframdisulfid (WS ₂ ) kunne åbne døren for fremskridt inden for kvanteberegning.

I et papir udgivet 13. september i Naturkommunikation , forskere rapporterer, at de kan manipulere de elektroniske egenskaber ved dette supertynde materiale på måder, der kan være nyttige til kodning af kvantedata.

Undersøgelsen omhandler WS ₂ energidale, hvilket universitet ved Buffalo -fysikeren Hao Zeng, medlederforfatter af papiret, beskriver som "den lokale energis ekstrem af den elektroniske struktur i et krystallinsk fast stof."

Dale korresponderer med specifikke energier, som elektroner kan have i et materiale, og tilstedeværelsen af ​​en elektron i en dal versus en anden kan bruges til at kode information. En elektron i en dal kan repræsentere en 1 i binær kode, mens en elektron i den anden kan repræsentere et 0.

Evnen til at kontrollere, hvor elektroner kan findes, kan give fremskridt inden for kvanteberegning, muliggør oprettelse af qubits, den grundlæggende enhed for kvanteinformation. Qubits har den mystiske kvalitet at kunne eksistere ikke bare i en tilstand på 1 eller 0, men i en "superposition" relateret til begge stater.

Papiret i Nature Communications markerer et skridt mod disse fremtidige teknologier, demonstrerer en ny metode til manipulation af dalstater i WS ₂ .

Zeng, Ph.d., professor i fysik ved UB College of Arts and Sciences, ledet projektet med Athos Petrou, Ph.d., UB Distinguished Professor of Physics, og Renat Sabirianov, Ph.d., formand for fysik ved University of Nebraska Omaha. Yderligere medforfattere omfattede UB fysik kandidatstuderende Tenzin Norden, Chuan Zhao og Peiyao Zhang. Forskningen blev finansieret af National Science Foundation.

Skift af wolframdisulfids energidale

To-dimensionelt wolframdisulfid er et enkelt lag af materialet, der er tre atomer tykt. I denne konfiguration, WS ₂ har to energidale, begge med samme energi.

Tidligere forskning har vist, at anvendelse af et magnetfelt kan flytte dalenes energi i modsatte retninger, sænke energien i en dal for at gøre den "dybere" og mere attraktiv for elektroner, mens jeg øger energien i den anden dal for at gøre den "lavere, "Siger Zeng.

"Vi viser, at skiftet i energien i de to dale kan forstørres med to størrelsesordener, hvis vi placerer et tyndt lag magnetisk europiumsulfid under wolframdisulfidet, "Zeng siger." Når vi derefter anvender et magnetfelt på 1 Tesla, vi er i stand til at opnå et enormt skift i dalenes energi - svarende til det, vi måske håber at opnå ved at anvende et magnetfelt på omkring hundrede Tesla, hvis europiumsulfidet ikke var til stede. "

"Effektens størrelse var meget stor - det var som at bruge en magnetfeltforstærker, "Petrou siger." Det var så overraskende, at vi måtte kontrollere det flere gange for at sikre, at vi ikke begik fejl. "

Slutresultatet? Evnen til at manipulere og detektere elektroner i dalene er stærkt forbedret, kvaliteter, der kunne lette kontrollen med qubits til kvanteberegning.

Valley angiver qubits til kvanteberegning

Ligesom andre former for kvanteberegning, dalbaseret kvanteberegning ville stole på de underlige kvaliteter af subatomære partikler-i dette tilfælde elektroner-for at udføre kraftfulde beregninger.

Elektroner opfører sig på en måde, der kan virke underlig - de kan være flere steder på én gang, for eksempel. Som resultat, 1 og 0 er ikke de eneste mulige tilstande i systemer, der bruger elektroner i dale som qubits. En qubit kan også være i enhver superposition af disse tilstande, giver kvantecomputere mulighed for at udforske mange muligheder samtidigt, Siger Zeng.

"Det er derfor, kvanteberegning er så kraftfuld til visse særlige opgaver, "Zeng siger." På grund af den sandsynlige og tilfældige karakter af quantum computing, det er særligt velegnet til applikationer såsom kunstig intelligens, kryptografi, finansiel modellering og kvantemekaniske simuleringer til design af bedre materialer. Imidlertid, mange forhindringer skal overvindes, og vi er sandsynligvis mange år væk, hvis skalerbar universel quantum computing nogensinde bliver en realitet. "

Den nye undersøgelse bygger på Zeng og Petrou's tidligere arbejde, hvor de brugte europiumsulfid og magnetfelter til at ændre energien i to dale i et andet 2-D-materiale:wolframdiselenid (WSe ₂ ).

Selvom WS ₂ og WSe ₂ er ens, de reagerede forskelligt på "dalopdeling" -øvelsen. I WS ₂ , dalen, der blev "dybere", var analog med dalen i WSe ₂ der blev "lavere, " og omvendt, skabe muligheder for at undersøge, hvordan denne sondring kunne give fleksibilitet i anvendelser af teknologien.

En egenskab, som begge materialer deler, kan gavne kvanteberegning:I begge WS ₂ og WSe ₂ , elektroner, der befolker de to energidale, har modsatte spins, en form for vinkelmoment. Selvom denne egenskab ikke er nødvendig for at skabe en qubit, det "giver en vis beskyttelse af kvantetilstande, gør dem mere robuste, "Siger Zeng.