Plan for en robust kvantefremtid

At hævde, at noget har en defekt, tyder normalt på en uønsket egenskab. Det er ikke tilfældet i solid state-systemer, såsom halvledere i hjertet af moderne klassiske elektroniske enheder. De fungerer på grund af defekter indført i det stift ordnede arrangement af atomer i krystallinske materialer som silicium. Overraskende nok, i kvanteverdenen, defekter spiller også en vigtig rolle.

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, University of Chicago og videnskabelige institutter og universiteter i Japan, Korea og Ungarn har etableret retningslinjer, der vil være en uvurderlig ressource for opdagelsen af ​​nye defektbaserede kvantesystemer. Det internationale team offentliggjorde disse retningslinjer i Naturanmeldelser Materialer .

Sådanne systemer har mulige anvendelser inden for kvantekommunikation, sensing og computing og derved kunne have en transformerende effekt på samfundet. Kvantekommunikation kunne distribuere kvanteinformation robust og sikkert over lange afstande, gør et kvanteinternet muligt. Kvanteregistrering kunne opnå hidtil usete følsomheder for målinger med biologiske, astronomiske, teknologisk og militær interesse. Kvanteberegning kunne pålideligt simulere stoffets adfærd ned til atomniveau og muligvis simulere og opdage nye lægemidler.

Holdet udledte deres designretningslinjer baseret på en omfattende gennemgang af den enorme mængde viden, der er erhvervet gennem de sidste årtier om spindefekter i faststofmaterialer.

"De defekter, der interesserer os her, er isolerede forvrængninger i den ordnede opstilling af atomer i en krystal, "forklarede Joseph Heremans, en videnskabsmand i Argonne's Center for Molecular Engineering and Materials Science division, samt University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering.

Sådanne forvrængninger kan omfatte huller eller tomrum skabt ved fjernelse af atomer eller urenheder tilføjet som dopingmidler. Disse forvrængninger, på tur, kan fange elektroner i krystallen. Disse elektroner har en egenskab kaldet spin, som fungerer som et isoleret kvantesystem.

"Spin er en vigtig kvanteegenskab, spin -defekter kan indeholde kvanteinformation i en form, som fysikere kalder kvantebits, eller qubits, i analogi med den smule information i klassisk databehandling, " tilføjede Gary Wolfowicz, assisterende videnskabsmand i Argonne's Center for Molecular Engineering and Materials Science division, sammen med University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering.

I flere årtier, videnskabsmænd har studeret disse spindefekter for at skabe en bred vifte af proof-of-concept-enheder. Imidlertid, tidligere forskning har kun fokuseret på en eller to førende kandidat-qubits.

"Vores felt har haft et lidt snævert fokus i mange år, " sagde Christopher Anderson, en postdoktor ved University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering. "Det var, som om vi kun havde nogle få heste i kvanteløbet. Men nu forstår vi, at der er mange andre kvanteheste at bakke op om, og præcis hvad man skal kigge efter i de heste."

Teamets retningslinjer omfatter egenskaberne ved både defekterne og det materiale, der er valgt til at være vært for dem. De vigtigste defektegenskaber er spin, optisk (f.eks. hvordan lys interagerer med spin af de fangede elektroner), og defektens ladetilstand.

Mulige faststofmaterialer inkluderer ikke kun de allerede velundersøgte få som silicium, diamant og siliciumcarbid men andre nyere poster som forskellige oxider. Alle disse materialer har forskellige fordele og ulemper, som er beskrevet i retningslinjerne. For eksempel, diamant er klar og hård, men dyrt. På den anden side, silicium er let at lave enheder med til lav pris, men er mere påvirket af gratis afgifter og temperatur.

"Vores retningslinjer er der for kvanteforskere og ingeniører til at vurdere samspillet mellem defektegenskaberne og det valgte værtsmateriale ved design af nye qubits skræddersyet til en bestemt applikation, " bemærkede Heremans.

"Spin-defekter har en central rolle at spille i at skabe nye kvanteenheder, uanset om det er små kvantecomputere, kvante internet, eller nanoskala kvantesensorer, "fortsatte Anderson." Ved at trække på den omfattende viden om spin -defekter for at udlede disse retningslinjer, vi har lagt grunden til, at kvantearbejdsstyrken – nu og i fremtiden – fra bunden kan designe den perfekte qubit til en specifik brug."

"Vi er især stolte af vores retningslinjer, fordi tilsigtede brugere strækker sig fra veterankvanteforskere til forskere inden for andre områder og kandidatstuderende, der håber at blive en del af kvantearbejdsstyrken, sagde Wolfowicz.

Arbejdet etablerer også grundlaget for at designe skalerbare halvlederkvanteenheder og passer godt sammen med Q-NEXT, et DOE-finansieret kvanteinformationsforskningscenter ledet af Argonne. Q-NEXT's mål omfatter etablering af et halvlederkvante-"støberi" til udvikling af kvanteforbindelser og sensorer.

"Vores teams retningslinjer vil fungere som en plan for at hjælpe med at styre Q-NEXT-missionen med at designe den næste generation af kvantematerialer og -enheder, " sagde David Awschalom, seniorforsker i Argonnes Materials Science -afdeling, Liew familieprofessor i molekylær ingeniørvidenskab ved University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering, og direktør for både Chicago Quantum Exchange og Q-NEXT. "Når det kommer til kvanteteknologier med spins, dette arbejde sætter scenen og informerer feltet om, hvordan man kommer videre."