Nye teknikker til at lave qubits af erbium

Qubits er byggestenen til kvanteteknologi, og at finde eller bygge qubits, der er stabile og lette at manipulere, er et af de centrale mål for kvanteteknologiforskningen. Forskere har fundet ud af, at et atom af erbium - et sjældent jordarters metal, som nogle gange bruges i lasere eller til at farve glas - kan være en meget effektiv qubit.

For at lave erbium-qubits placeres erbium-atomer i "værtsmaterialer", hvor erbium-atomerne erstatter nogle af materialets oprindelige atomer. To forskergrupper – en hos quantum startup memQ, en Chicago Quantum Exchange-virksomhedspartner og en ved det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory, et CQE-medlem – har brugt forskellige værtsmaterialer til erbium til at fremme kvanteteknologi, hvilket demonstrerer alsidigheden af ​​denne en slags qubit og fremhæver vigtigheden af ​​materialevidenskab for kvanteberegning og kvantekommunikation.

De to projekter adresserer udfordringer, som kvantecomputerforskere har forsøgt at løse:konstruktion af multi-qubit-enheder og udvidelse af den tid, qubits kan indeholde information.

"Det arbejde, som disse to bestræbelser har udført, fremhæver virkelig, hvor meget materialer betyder noget for kvanteteknologi," sagde F. Joseph Heremans, stabsforsker ved Argonne, som var involveret i begge projekter. "Miljøet, qubitten befinder sig i, er lige så kritisk som selve qubitten."

Start-memQ aktiverer selektivt erbium-qubits, hvilket gør det nemmere at styre multi-qubit-enheder

Erbium er populært som en qubit, fordi det effektivt kan transmittere kvanteinformation over den samme slags optiske fiber, som kanaliserer internet og telefonlinjer; dens elektroner er også arrangeret på en sådan måde, at den er særlig modstandsdygtig over for den slags miljøændringer, der kan få en qubit til at miste sin information.

Men vækstprocessen, der indsætter erbium i værtsmaterialet, spreder atomerne i hele materialet på en måde, som forskerne ikke kan kontrollere præcist, hvilket gør det vanskeligt at designe multi-qubit-enheder. I en helt ny teknik har forskere ved memQ opdaget en løsning:"aktivering" kun af visse erbium-atomer med en laser.

Værket er publiceret i tidsskriftet Applied Physics Letters .

"Vi placerer faktisk ikke erbium på bestemte steder, erbium er spredt ud over hele materialet," sagde Sean Sullivan, CTO og medstifter af memQ, som er uddannet i Duality, kvantestartacceleratoren ledet af Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation ved University of Chicago og CQE sammen med stiftende partnere University of Illinois Urbana-Champaign, Argonne og P33.

"Men ved at bruge en laser kan vi ændre krystalstrukturen i et bestemt område, og det ændrer egenskaberne af erbium i det område. Så vi udvælger, hvilket erbium der skal bruges som qubits."

Teknikken er afhængig af egenskaberne af værtsmaterialet, titaniumdioxid (TiO₂ ). På grund af dets symmetri, et krystalgitter af TiO₂ har to mulige konfigurationer. Et erbium-atom indsat i gitteret vil kommunikere med en anden frekvens afhængigt af konfigurationen af ​​TiO₂ den sidder i.

I memQs teknik er erbium spredt ud over en film af TiO₂ det er i én konfiguration. Derefter fokuseres en kraftig laser på krystallen omkring visse erbium-atomer, hvilket permanent forvrænger TiO₂ kun i dens anden konfiguration på disse steder. Nu kan de erbium-atomer, der er udvalgt af laseren, alle kommunikere med den samme frekvens, helt adskilt fra de andre.

Den nye procedure repræsenterer et betydeligt fremskridt inden for dette område af kvanteteknologi, kendt som solid state-teknologi.

"Du kan ikke bruge qubits på 100 tilfældige steder til at bygge noget nyttigt," sagde Manish Singh, CEO og medstifter af memQ. "Med vores platform kan vi vælge, hvilket erbium vi vil bruge i layoutet, som vi vil bruge dem, en egenskab som har unddraget solid state-samfundet i lang tid."

Argonne-forsker opnår lange erbium-qubit-kohærenstider

Et afgørende mål for en qubits effektivitet er dens sammenhængstid:mængden af ​​tid, den kan opbevare kvanteinformation. Dette er især vigtigt for qubits beregnet til brug som kvantehukommelse, kvanteækvivalenten til klassisk computerhukommelse. Men sammenhæng er meget skrøbeligt – en qubit kan miste sammenhængen ved at interagere med noget i sit miljø, såsom luft eller varme.

Erbium-atomer kan beholde kvanteinformation ved hjælp af deres elektroner, som har en egenskab kaldet "spin". En kerne, klyngen af ​​protoner og neutroner i midten af ​​et atom, har også "spin", og spins af elektroner og kerner kan påvirke hinanden. En almindelig måde for en erbium-qubit at miste sin kvanteinformation er, hvis dens elektronspin interagerer med et nuklear spin fra et af atomerne omkring den.

Af denne grund søgte Argonne-forsker Jiefei Zhang efter et værtsmateriale til erbium, der havde det lavest mulige nukleare spin, men som også kunne fremstilles med mere traditionelle siliciumteknologier. Hun fandt det med et andet oxid, denne gang af et sjældent jordarters grundstof:ceriumdioxid, også kendt som ceriumoxid (CeO₂ ).

Cerium er det mest udbredte sjældne jordarters grundstof og bruges som et oxidationsmiddel og katalysator i industriel kemi. I modsætning til TiO₂ , som har flere mulige strukturelle konfigurationer, CeO₂ har kun én og er ekstremt symmetrisk. På grund af dette, erbium qubits i CeO₂ er mere stabile.

"To forskellige erbium-qubits i ceria vil se det samme krystalmiljø," sagde Zhang. "Og så det er meget nemt at kontrollere dem samtidigt, fordi de vil handle på en meget lignende måde."

Navnlig er den nye lokaliseringsteknik udviklet af memQ ikke mulig med en meget symmetrisk krystalstruktur som CeO₂ - men Zhang var i stand til at se længere sammenhængstider fra erbium qubits, med potentiale for endnu længere, mens de fortsætter med at udvikle eksperimentet. Værket kan findes på preprint-serveren arXiv .

"Der er helt sikkert fordele og ulemper ved hvert materiale, og det er meget almindeligt i kvante," sagde Zhang.

Flere oplysninger: Sean E. Sullivan et al., kvasi-deterministisk lokalisering af Er-emittere i tyndfilm TiO₂ gennem submikronskala krystallinsk fasekontrol, Applied Physics Letters (2023). DOI:10.1063/5.0176610

Jiefei Zhang et al., Optical and spin coherence of Er ³⁺ i epitaksial CeO₂ på silicium, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2309.16785

Journaloplysninger: arXiv , Anvendt fysikbreve

Leveret af University of Chicago