Ionstråler betyder et kvantespring for farve-center qubits

At opnå det enorme løfte om kvanteberegning kræver ny udvikling på alle niveauer, inklusive selve computerhardwaren. Et internationalt team af forskere ledet af Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har opdaget en måde at bruge ionstråler til at skabe lange strenge af "farvecenter"-qubits i diamant. Deres arbejde er detaljeret i journalen Anvendt fysik bogstaver .

Forfatterne inkluderer flere fra Berkeley Lab:Arun Persaud, hvem ledede undersøgelsen, og Thomas Schenkel, leder af Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) divisionens Fusion Science &Ion Beam Technology Program, samt Casey Christian (nu med Berkeley Labs Physics Division), Edward Barnard fra Berkeley Lab's Molecular Foundry, og ATAP affiliate Russell E. Lake.

Oprettelse af et stort antal kvantebits af høj kvalitet (qubits), i tæt nok nærhed til at kunne kobles til hinanden, er en af ​​de store udfordringer ved kvanteberegning. Samarbejde med kolleger over hele verden, holdet har udforsket brugen af ​​ionstråler til at skabe kunstige farvecentre i diamant til brug som qubits.

Farvecentre er mikroskopiske defekter - afvigelser fra den strenge gitterstruktur af en krystal, såsom diamant. Den type defekt, der er af specifik interesse for qubits, er et nitrogenatom ved siden af ​​en ledig stilling, eller tom plads, i et diamantgitter. (Kvælstof findes almindeligvis i krystalgitteret af diamanter, som primært er en krystallinsk form for kulstof, og kan bidrage til stenens farve.)

Når ophidset af den hurtige energiaflejring af en forbipasserende ion, nitrogen-fritidscentre kan dannes i diamantgitteret. Elektron- og nukleare spins af nitrogen-tomgangscentre og de tilstødende carbonatomer kan alle fungere som faststof-qubits, og krystalgitteret kan hjælpe med at beskytte deres sammenhæng og indbyrdes sammenfiltring.

Resultatet er et fysisk holdbart system, der ikke skal bruges i et kryogent miljø, som er attraktive egenskaber for kvantesensorer og også for qubits i denne type solid-state kvantecomputer. Imidlertid, lave nok qubits, og gør dem tæt nok på hinanden, har været en udfordring.

Når hurtige (højenergiske) tunge ioner, såsom de stråler, som dette hold brugte - guldioner med en kinetisk energi på omkring en milliard elektronvolt - passerer gennem et materiale, såsom nitrogen-doteret diamant, de efterlader et spor af nitrogen-ledige centre langs deres spor. Farvecentre blev fundet at danne direkte, uden behov for yderligere glødning (varmebehandling). Hvad mere er, de dannedes langs ionsporene, snarere end kun i slutningen af ​​ionområdet, som man havde forventet fra tidligere undersøgelser med ioner med lavere energi. I disse lige "perkolationskæder, "farvecenter-qubits er justeret over afstande på titusinder af mikron, og er kun få nanometer fra deres nærmeste naboer. En teknik udviklet af Berkeley Labs Molecular Foundry målte farvecentre med dybdeopløsning.

Arbejdet med qubit-syntese langt fra ligevægt blev støttet af Department of Energy's Office of Science. Næste trin i forskningen bliver fysisk at skære en gruppe af disse farvecentre ud – som er som en række perler på en snor – og vise, at de faktisk er så tæt forbundet, at de kan bruges som kvanteregistre.

Resultater offentliggjort i den aktuelle artikel viser, at det vil være muligt at danne kvanteregistre med op til omkring 10, 000 koblede qubits-to størrelsesordener større end hidtil opnået med den komplementære teknologi af ion-trap qubits-over en afstand på omkring 50 mikron (omkring bredden af ​​et menneskehår).

"Interaktioner mellem hurtige tunge ioner og materialer er blevet undersøgt i årtier til forskellige formål, herunder opførsel af nukleare materialer og virkningerne af kosmiske stråler på elektronik, sagde Schenkel.

Han tilføjede, at forskere verden over har forsøgt at fremstille kvantematerialer ved kunstigt at inducere farvecentre i diamant. "Solid-state tilgange til kvantecomputerhardware skalerer smukt, men integration har været en udfordring. Dette er første gang, at direkte dannelse af farve-center-qubits langs strenge er blevet observeret."

Stjernerne, som diamanter

På en minimal og flygtig skala (nanometer og picosekunder) frembringer aflejringen af ​​energi fra ionstrålerne en tilstand af høj temperatur, som Schenkel sammenligner med solens overflade, i 5000 K-området, og pres. Udover at slå kulstofatomer ud af diamantens krystalgitter, denne effekt kunne muliggøre grundlæggende undersøgelser af eksotiske tilstande af forbigående varmt tæt stof, en tilstand af stof, der er til stede på mange stjerner og store planeter, og som er vanskelig at studere direkte på Jorden.

Det kan også muliggøre dannelse af nye qubits med skræddersyede egenskaber, som ikke kan dannes med konventionelle metoder. "Dette åbner en ny retning for at udvide vores evne til at danne kvanteregistre, sagde Schenkel.

I øjeblikket, farvecenterstrenge dannes med stråler fra store partikelacceleratorer, såsom den på det tyske laboratorium GSI, der blev brugt i denne forskning. I fremtiden, de kan være lavet ved hjælp af kompakte laser-plasma-acceleratorer som dem, der udvikles på Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center.

BELLA-centret udvikler aktivt sine ionaccelerationskapaciteter med finansiering fra DOE Office of Science. Disse funktioner vil blive brugt som en del af LaserNetUS. Ionimpulser fra laser-plasmaacceleration er meget intense og udvider i høj grad vores evne til at danne forbigående tilstande af stærkt ophidsede og varme materialer til qubit-syntese under nye forhold.

Flere facetter i materialevidenskab langt fra ligevægt

Processen med at oprette disse farvecentre er interessant i sig selv og skal forstås bedre som led i yderligere fremskridt i disse applikationer. Detaljerne om, hvordan en intens ionstråle aflejrer energi, når den krydser diamantprøverne, og den nøjagtige mekanisme, hvormed dette fører til dannelse af farve-center, har spændende udsigter til yderligere forskning.

"Dette arbejde demonstrerer både de videnskabelige opdagelsesmuligheder og potentialet for samfundsmæssigt transformative innovationer muliggjort af strålerne fra acceleratorer, " siger ATAP-divisionsdirektør Cameron Geddes. "Med acceleratorer, vi skaber unikke tilstande af stof og nye evner, som ikke er mulige med andre midler."