Forskere opfinder en ny måde at strække diamant for bedre kvantebits

Et fremtidigt kvantenetværk kan blive mindre af en strækning takket være forskere ved University of Chicago, Argonne National Laboratory og Cambridge University.

Et team af forskere annoncerede et gennembrud inden for kvantenetværksteknologi. Ved at "strække" tynde film af diamant skabte de kvantebits, der kan fungere med betydeligt reduceret udstyr og omkostninger. Ændringen gør også bits nemmere at kontrollere.

Forskerne håber, at resultaterne, offentliggjort 29. november i Physical Review X , kan gøre fremtidige kvantenetværk mere gennemførlige.

"Denne teknik giver dig mulighed for dramatisk at hæve driftstemperaturen for disse systemer, til det punkt, hvor det er meget mindre ressourcekrævende at betjene dem," sagde Alex High, assisterende professor ved Pritzker School of Molecular Engineering, hvis laboratorium ledede undersøgelsen.

Diamantudvidelse

Kvantebits, eller qubits, har unikke egenskaber, der gør dem af interesse for forskere, der søger efter fremtiden for computernetværk - for eksempel kan de gøres praktisk talt uigennemtrængelige for hackingforsøg. Men der er betydelige udfordringer at løse, før det kan blive en udbredt, dagligdags teknologi.

Et af hovedproblemerne ligger inden for de "knudepunkter", der ville videresende information langs et kvantenetværk. De qubits, der udgør disse noder, er meget følsomme over for varme og vibrationer, så forskerne skal køle dem ned til ekstremt lave temperaturer for at fungere.

"De fleste qubits i dag kræver et specielt køleskab på størrelse med et værelse og et team af højtuddannede mennesker til at drive det, så hvis du forestiller dig et industrielt kvantenetværk, hvor du skal bygge et hver femte eller 10. kilometer, nu taler om en del infrastruktur og arbejdskraft," forklarede High.

Highs laboratorium arbejdede sammen med forskere fra Argonne National Laboratory, et nationalt laboratorium fra det amerikanske energiministerium, der er tilknyttet UChicago, for at eksperimentere med de materialer, disse qubits er lavet af for at se, om de kunne forbedre teknologien.

En af de mest lovende typer qubits er lavet af diamanter. Disse qubits, der er kendt som gruppe IV-farvecentre, er kendt for deres evne til at opretholde kvantesammenfiltring i relativt lange perioder, men for at gøre det skal de køles ned til kun en smule over det absolutte nulpunkt.

Holdet ønskede at pille ved materialets struktur for at se, hvilke forbedringer de kunne lave - en vanskelig opgave i betragtning af, hvor hårde diamanter er. Men forskerne fandt ud af, at de kunne "strække" diamanten ud på molekylært niveau, hvis de lagde en tynd film af diamant over varmt glas. Når glasset afkøles, krymper det med en langsommere hastighed end diamanten, hvilket strækker diamantens atomare struktur lidt – ligesom fortovet udvider sig eller trækker sig sammen, når jorden afkøles eller opvarmes under den, forklarede High.

Stor effekt

Denne strækning, selvom den kun flytter atomerne fra hinanden en uendelig lille mængde, har en dramatisk effekt på, hvordan materialet opfører sig.

For det første kunne qubits nu holde deres sammenhæng ved temperaturer op til 4 Kelvin (eller -452°F). Det er stadig meget koldt, men det kan opnås med mindre specialiseret udstyr. "Det er en størrelsesordensforskel i infrastruktur og driftsomkostninger," sagde High.

For det andet gør ændringen det også muligt at styre qubits med mikrobølger. Tidligere versioner skulle bruge lys i den optiske bølgelængde for at indtaste information og manipulere systemet, hvilket introducerede støj og betød, at pålideligheden ikke var perfekt. Ved at bruge det nye system og mikrobølgerne gik troskaben dog op til 99%.

Det er usædvanligt at se forbedringer på begge disse områder samtidigt, forklarede Xinghan Guo, en Ph.D. studerende i fysik i Highs laboratorium og førsteforfatter på papiret.

"Som regel, hvis et system har en længere sammenhængende levetid, er det, fordi det er godt til at 'ignorere' ekstern interferens - hvilket betyder, at det er sværere at kontrollere, fordi det modstår den interferens," sagde han. "Det er meget spændende, at vi ved at lave en meget grundlæggende innovation med materialevidenskab var i stand til at bygge bro over dette dilemma."

"Ved at forstå fysikken i spil for gruppe IV farvecentre i diamant, har vi med succes skræddersyet deres egenskaber til behovene for kvanteapplikationer," sagde Argonne National Laboratory-forsker Benjamin Pingault, også medforfatter på undersøgelsen.

"Med kombinationen af ​​forlænget sammenhængende tid og gennemførlig kvantekontrol via mikrobølger er vejen til udvikling af diamantbaserede enheder til kvantenetværk klar for tin stillingscentre," tilføjede Mete Atature, professor i fysik ved Cambridge University og en medforfatter. på studiet.

Flere oplysninger: Xinghan Guo et al., Mikrobølgebaseret kvantekontrol og kohærensbeskyttelse af tin-ledige spin-qubits i en strain-tunet diamant-membran-heterostruktur, Physical Review X (2023). DOI:10.1103/PhysRevX.13.041037

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang X

Leveret af University of Chicago