Forskere finder mere præcis metode til fremstilling på atomniveau

Kvantecomputere har potentiale til at transformere felter som medicin, cybersikkerhed og kunstig intelligens ved at løse hårde optimeringsproblemer, der er uden for rækkevidde af konventionel computerhardware.

Men teknologien til at fremstille enhederne i stor skala findes endnu ikke.

Forskere ved University of Texas i Dallas har udviklet en teknik, der kan fjerne en af ​​udfordringerne ved at skalere produktionen af ​​siliciumkvanteenheder. Forskerne skitserede deres metode, som giver større kontrol og præcision under fremstillingsprocessen, i en undersøgelse, der blev offentliggjort 28. maj og i juli -udgaven af Journal of Vacuum Science &Technology B . Silicium er det foretrukne materiale til basen af ​​kvanteindretninger på grund af dets kompatibilitet med konventionel halvlederteknologi.

Undersøgelsens tilsvarende forfatter, Dr. Reza Moheimani, James Von Ehr Distinguished Chair in Science and Technology og en professor i systemteknik på Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science, modtog et amerikansk energiministerium på 2,4 millioner dollar i 2019 for at udvikle teknologi til atompræcis fremstilling, processen med at bygge nye materialer og enheder atom for atom.

Moheimanis team tager fat på en række udfordringer for fremstilling af kvanteenheder.

"Vores seneste arbejde øger præcisionen i fremstillingsprocessen, "Sagde Moheimani." Vi arbejder også på at øge kapaciteten, hastighed og pålidelighed. "

Forskernes metode til at bygge en siliciumbaseret qubit, eller kvantebit, den grundlæggende informationsenhed i en kvantecomputer, starter med en atomisk flad siliciumoverflade belagt med et lag hydrogen, som forhindrer andre atomer eller molekyler i at blive absorberet i overfladen. Næste, forskere bruger et scanning tunneling microscope (STM), som har en sonde med en atomisk skarp spids, fungerer som en mikro-robotarm, for at fjerne hydrogenatomer selektivt fra overfladen. STM er designet til billeddannelse af atomtræk på en overflade, imidlertid, forskere bruger også enheden til at manipulere atomer i en tilstand, der kaldes hydrogen -depassiveringslitografi (HDL).

Den omhyggelige proces indebærer at placere spidsen over et hydrogenatom, tilføjelse af et højfrekvent signal til tip-sample-bias-spændingen og øge amplituden af ​​højfrekvenssignalet, indtil hydrogenatomet løsner fra overfladen, afslørende silicium nedenunder. Efter at et forudbestemt antal hydrogenatomer selektivt er fjernet fra overfladen, fosfongas indføres i miljøet og efter en bestemt proces, atomer af fosfor adsorberes til overfladen, hvor hver fungerer som en qubit.

Problemet med konventionel HDL er, at det kan være let for operatøren at plukke det forkerte hydrogenatom, hvilket resulterer i oprettelse af qubits på uønskede steder. Brug af STM til HDL kræver en højere spænding end til billeddannelse, som alt for ofte får spidsen til at ramme ind i overfladeprøven, tvinger operatøren til at starte forfra.

Forskerne arbejdede på deres løsning på STM tip-crash-problemet, da de opdagede en mere præcis metode til manipulation af overfladeatomer.

"Konventionel litografi kan ikke opnå den nødvendige atompræcision, "Sagde Moheimani." Problemet er, at vi bruger et mikroskop til at lave litografi; vi bruger en enhed til at gøre noget, den ikke er designet til. "

Forskerne fandt ud af, at de kunne opnå højere præcision ved at udføre HDL i billedbehandlingstilstand, frem for den konventionelle litografi -tilstand, med nogle justeringer af spændingen og en ændring af STM's feedback -kontrolsystem.

"Vi indså, at vi faktisk kunne bruge denne metode til at fjerne hydrogenatomer på en kontrolleret måde, "Sagde Moheimani." Dette kom som en overraskelse. Det er en af ​​de ting, der sker under forsøg, og du prøver at forklare det og drage fordel af det. "

Kvantecomputere forventes at kunne gemme flere oplysninger end nuværende computere. Nuværende transistorer, hvilke videresendelsesoplysninger, kan ikke gøres mindre, sagde Hamed Alemansour, en maskinteknisk doktorand og hovedforfatter af undersøgelsen.

"Den slags teknologi, der bruges nu til fremstilling af transistorer, har nået sin grænse. Det er svært at reducere størrelsen mere ved hjælp af konventionelle metoder, "Sagde Alemansour.

Mens en konventionel computer bruger de præcise værdier på 1s og 0s til at foretage beregninger, de grundlæggende logiske enheder i en kvantecomputer er mere flydende, med værdier, der kan eksistere som en kombination af 1'er og 0'er på samme tid eller hvor som helst derimellem. Det faktum, at en qubit kan repræsentere to tal på samme tid, gør det muligt for kvantecomputeren at behandle oplysninger meget hurtigere.

En af de næste udfordringer, Moheimani sagde, vil være at udvikle teknologi til at betjene flere STM -tip ad gangen.

"Hvad hvis vi kan bruge 10 eller 100 tip parallelt med hinanden, så vi kan lave den samme litografi ganget med 100 gange? Hvad nu hvis vi kan gøre det 10 gange hurtigere? Hvis vi kan fremstille 100 qubits 10 gange hurtigere, vi er 1, 000 gange bedre stillet allerede, "Sagde Moheimani.