Forskere skaber qubits ved hjælp af præcisionsværktøjer fra nanoteknologi

Siliciumcarbid er ved at blive en stor aktør på kvantescenen. Udbredt i specialiserede elektronikvarer såsom LED'er og elektriske køretøjer, siliciumcarbid kan prale af alsidighed, bred kommerciel tilgængelighed og voksende brug i højeffektelektronik, hvilket gør det til et attraktivt materiale til kvanteinformationsvidenskab, hvis virkning forventes at være dyb.

Ved at trække på fysik på atomare skala vil teknologier såsom kvantecomputere, netværk og sensorer sandsynligvis revolutionere områder så forskellige som kommunikation, lægemiddeludvikling og logistik i de kommende årtier.

Nu har forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, DOE's Sandia National Laboratories og partnerinstitutioner udført en omfattende undersøgelse af skabelsen af ​​qubits - de grundlæggende enheder i kvanteinformationsbehandling - i siliciumcarbid.

I en første af sin slags undersøgelse udnyttede forskerne fra Argonne og Sandia banebrydende forskningsværktøjer i nanoskala på de to laboratorier og demonstrerede med succes en metode til implantering af qubits i siliciumcarbid med ekstrem præcision. De udførte også state-of-the-art analyser af, hvordan siliciumcarbid reagerer på atomær skala på qubits' implantation.

Deres højpræcisionsundersøgelser gør det muligt for videnskabsmænd bedre at konstruere kvanteenheder til specifikke formål, uanset om de skal designe ultrapræcise sensorer eller bygge et uhackbart kommunikationsnetværk.

Forskernes arbejde er publiceret i tidsskriftet Nanotechnology .

"Vi kan bedre forstå materialets molekylære dynamik ud over den typiske håndviftede forklaring, som vi er vant til," sagde Argonne-videnskabsmanden Nazar Delegan, som er hovedforfatteren af ​​papiret. "Vi viste også, at vi kan skabe rumligt lokaliserede qubits i dette meget relevante materialesystem, siliciumcarbid."

Forskere arbejder på at perfektionere skabelsen af ​​qubits i siliciumcarbid. Disse qubits har form af to side-om-side huller på størrelse med atomer eller ledige pladser i siliciumcarbidkrystallen. Forskere kalder dette par af atomare huller en divacancy.

Gruppens papir beskriver, hvordan de udnytter en proces perfektioneret på Sandias Center for Integrated Nanotechnologies (CINT) til at skabe qubits. Ved at bruge et af CINTs nanoskala-materialeværktøjer var forskerne i stand til præcist at implantere siliciumioner i siliciumcarbiden. Processen slår løse atomer i siliciumcarbiden, hvilket skaber divakans i materialet.

Processen gør det muligt for forskere ikke kun at specificere det nøjagtige antal atomer, der skal sprøjtes ind i siliciumcarbiden, men også at placere divacancies med en præcision på omkring 25 nanometer. En sådan præcision er afgørende for at integrere kvanteteknologier i elektroniske enheder.

"Du behøver ikke at gå på jagt for at finde en ledig stilling i atom-skala i et større stykke materiale," sagde Michael Titze, Sandia-forsker og Sandia-lederen på papiret. "Ved at bruge den fokuserede ionstråle kan du placere atomet et sted, og en anden kan finde den ledige stilling inden for en 100 nanometer scanning. Vi gør det nemmere at finde og i forlængelse heraf nemmere at studere og inkorporere i en praktisk teknologisk platform."

Efter præcisionspositioneringen af ​​qubitterne udglødede forskere ved Argonne - eller opvarmede - siliciumcarbidprøverne for at forbedre qubitternes egenskaber og stabilisere siliciumcarbidkrystallen.

Holdet kortlagde derefter præcist, for første gang, måderne, hvorpå divakanserne blev dannet i krystallen og ændringer i dens nanoskalastruktur efter annealingsprocessen. Deres værktøj til denne karakterisering var Argonnes kraftfulde Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science-brugerfacilitet.

APS er en kæmpe, ringformet maskine, der er stor nok til at omkranse et sportsstadion. Den producerer meget lyse stråler af røntgenstråler for at se dybt inde i materialer.

Forskere ved Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), også en DOE Office of Science-brugerfacilitet, brugte CNM's dedikerede røntgenstrålelinje ved APS til at studere mobiliseringen og skabelsen af ​​divacancy-qubits inde i siliciumcarbid. Hvor mange ledige pladser dannes, når man justerer antallet af implanterede atomer? Hvad sker der, når du justerer atomets energi? Hvordan påvirker implantationen strukturen af ​​siliciumcarbidet?

"Disse urenheder fører til forskellige krystalkonfigurationer, som fører til belastning," sagde Titze. "Hvordan bliver stammen påvirket af disse forskellige defekter?"

For at besvare sådanne spørgsmål fokuserede holdet en 25 nanometer tynd røntgenstråle på siliciumcarbidprøver.

"Du kan scanne på tværs af dit implanterede materiale, og på hvert eneste punkt er du i stand til at få den strukturelle information om, hvad der sker," sagde Delegan. "Så nu har du en røntgen-metode til at se på disse skalaer. Du er i stand til at sige:"Hvordan opførte krystallen sig før, under og efter implantation?'"

Ved at bruge CNM's røntgenstrålelinje ved APS var gruppen i stand til at afbilde ændringer i siliciumcarbidens nanoskalastruktur med imponerende høj opløsning og detektere ændringer ved 1 del per million.

Ved at kombinere den præcise positionering af qubits ved hjælp af Sandias CINT-værktøj og den præcise billeddannelse af deres krystalmiljø med Argonnes APS og CNM, tager holdet et væsentligt skridt i retning af skabelsen af ​​skræddersyede siliciumcarbid-qubits, som forventes at føre til større tilpasningsmuligheder for kvante. applikationer.

Deres arbejde tilføjer også bogen om siliciumcarbid-qubits, hvilket giver det videnskabelige samfund mulighed for at udvikle og tune deres siliciumcarbid-baserede kvanteenheder på en bevidst måde.

"Dette arbejde muliggør alle disse kvanteinformationsvidenskabelige applikationer, hvor du ønsker at implantere en meget specifik ion på grund af dens nyttige kvanteegenskaber," sagde Titze. "Du kan nu bruge denne viden om lokal belastning omkring defekterne til at konstruere den på en sådan måde, at du kan få f.eks. hundredvis af defekter på en enkelt chip til at tale med hinanden."

Teamets arbejde er et vidnesbyrd om interinstitutionelt samarbejde.

"Vi hos CINT giver mulighed for præcis implantation af atomer," sagde Titze. "Og vores kollegaer hos CNM og Q-NEXT tilbyder en unik måde at gøre dem faktisk tilgængelige, når de skal lede efter dem."

Forskerne vil fortsætte med at bruge de to laboratoriers materialer i nanoskala til at karakterisere dynamikken i at skabe qubits i siliciumcarbid.

"Vi var i stand til at demonstrere værktøjernes følsomhed," sagde Delegan. "Og den fede del er, med nogle ekstra eksperimentelle overvejelser, vi burde være i stand til at begynde at udtrække interessant adfærd med disse værdier."

Flere oplysninger: Nazar Delegan et al., Deterministic nanoscale quantum spin-defect implantation and diffraction strain imaging, Nanotechnology (2023). DOI:10.1088/1361-6528/acdd09

Journaloplysninger: Nanoteknologi

Leveret af Argonne National Laboratory