Nye materialer bringer kvantecomputere tættere på virkeligheden

I 60 år er computere blevet mindre, hurtigere og billigere. Men ingeniører nærmer sig grænserne for, hvor små de kan lave siliciumtransistorer, og hvor hurtigt de kan skubbe elektricitet gennem enheder for at oprette digitale og nuller.

Den begrænsning er grunden til, at Stanford elektroingeniør professor Jelena Vuckovic søger kvantecomputere, som er baseret på lys frem for elektricitet. Kvantecomputere arbejder ved at isolere roterende elektroner inde i en ny type halvledermateriale. Når en laser rammer elektronen, den afslører, hvilken vej den drejer ved at udsende en eller flere kvanter, eller partikler, af lys. Disse spin-tilstande erstatter eterne og nullerne for traditionel computer.

Vuckovic, som er en af ​​verdens førende forskere på området, nævnte kvanteberegning er ideel til at studere biologiske systemer, laver kryptografi eller datamining – faktisk, løse ethvert problem med mange variabler.

"Når folk taler om at finde en nål i en høstak, det er her, kvanteberegning kommer ind, " hun sagde.

Marina Radulaski, en postdoc i Vuckovics laboratorium, sagde kvantecomputeres problemløsningspotentiale stammer fra kompleksiteten af ​​laser-elektron-interaktionerne i kernen af ​​konceptet.

"Med elektronik har du nuller og ettaller, " sagde Radulaski. "Men når laseren rammer elektronen i et kvantesystem, det skaber mange mulige spin-tilstande, og at et større udvalg af muligheder danner grundlaget for mere kompleks databehandling."

Indfangning af elektroner

Det er lettere sagt end gjort at udnytte information baseret på interaktioner mellem lys og elektroner. Nogle af verdens førende teknologivirksomheder forsøger at bygge massive kvantecomputere, der er afhængige af materialer, der er superkølet til næsten det absolutte nul, den teoretiske temperatur, ved hvilken atomer ville holde op med at bevæge sig.

I hendes egne studier gennem næsten 20 år, Vuckovic har fokuseret på ét aspekt af udfordringen:at skabe nye typer kvantecomputerchips, der ville blive byggestenene i fremtidige systemer.

"For fuldt ud at realisere løftet om kvantecomputere bliver vi nødt til at udvikle teknologier, der kan fungere i normale miljøer, " sagde hun. "De materialer, vi udforsker, bringer os tættere på at finde morgendagens kvanteprocessor."

Udfordringen for Vuckovics team er at udvikle materialer, der kan fange en enkelt, isoleret elektron. Arbejde med samarbejdspartnere over hele verden, de har for nylig testet tre forskellige tilgange til problemet, hvoraf den ene kan fungere ved stuetemperatur – et kritisk skridt, hvis kvanteberegning skal blive et praktisk værktøj.

I alle tre tilfælde startede gruppen med halvlederkrystaller, materiale med et almindeligt atomgitter som bjælkerne i en skyskraber. Ved at ændre dette gitter lidt, de søgte at skabe en struktur, hvor de atomare kræfter, som materialet udøvede, kunne begrænse en roterende elektron.

"Vi forsøger at udvikle den grundlæggende arbejdsenhed af en kvantechip, svarende til transistoren på en siliciumchip, " sagde Vuckovic.

Kvanteprikker

En måde at skabe dette laser-elektron interaktionskammer på er gennem en struktur kendt som en kvanteprik. Fysisk, kvanteprikken er en lille mængde indiumarsenid inde i en krystal af galliumarsenid. De atomare egenskaber af de to materialer er kendt for at fange en roterende elektron.

I en nylig artikel i Nature Physics, Kevin Fischer, en kandidatstuderende i Vuckovic-laboratoriet, beskriver, hvordan laser-elektron-processerne kan udnyttes inden for en sådan kvanteprik til at styre input og output af lys. Ved at sende mere laserkraft til kvanteprikken, forskerne kunne tvinge den til at udsende præcis to fotoner i stedet for én. De siger, at quantum dot har praktiske fordele i forhold til andre førende quantum computing platforme, men stadig kræver kryogen køling, så det er muligvis ikke nyttigt til generel databehandling. Imidlertid, det kunne have applikationer til at skabe manipulationssikre kommunikationsnetværk.

Farve centrerer

I to andre artikler tog Vuckovic en anden tilgang til elektronfangst, ved at modificere en enkelt krystal for at fange lys i det, der kaldes et farvecenter.

I et nyligt papir offentliggjort i Nano bogstaver , hendes team fokuserede på farvecentre i diamant. I naturen består det krystallinske gitter af en diamant af kulstofatomer. Jingyuan Linda Zhang, en kandidatstuderende i Vuckovics laboratorium, beskrev, hvordan et forskerhold på 16 medlemmer erstattede nogle af disse kulstofatomer med siliciumatomer. Denne ene ændring skabte farvecentre, der effektivt fangede roterende elektroner i diamantgitteret.

Men ligesom kvanteprikken, de fleste eksperimenter med diamantfarvecenter kræver kryogen afkøling. Selvom det er en forbedring i forhold til andre tilgange, der krævede endnu mere kompliceret køling, Vuckovic ville gøre det bedre.

Så hun arbejdede sammen med et andet globalt team for at eksperimentere med et tredje materiale, siliciumcarbid. Almindeligvis kendt som carborundum, siliciumcarbid er en hård, gennemsigtig krystal bruges til at lave koblingsplader, bremseklodser og skudsikre veste. Tidligere forskning havde vist, at siliciumcarbid kunne modificeres til at skabe farvecentre ved stuetemperatur. Men dette potentiale var endnu ikke blevet gjort effektivt nok til at give en kvantechip.

Vuckovics team slog visse siliciumatomer ud af siliciumcarbidgitteret på en måde, der skabte meget effektive farvecentre. De fremstillede også nanotrådstrukturer omkring farvecentrene for at forbedre udvindingen af ​​fotoner. Radulaski var den første forfatter på det eksperiment, som er beskrevet i et andet NanoLetters -papir. Hun sagde, at nettoresultaterne - et effektivt farvecenter, ved stuetemperatur, i et materiale kendt for industrien - var store plusser.

"Vi synes, vi har demonstreret en praktisk tilgang til at lave en kvantechip, "Sagde Radulaski.

Men feltet er stadig i sine tidlige dage, og elektrontapping er ikke nogen simpel bedrift. Selv forskerne er ikke sikre på, hvilken eller hvilke metoder der vil vinde.

"Vi ved endnu ikke, hvilken tilgang der er bedst, så vi fortsætter med at eksperimentere, " sagde Vuckovic.