Ioonstrale kan kettings van nougekoppelde kwantumbisse (qubits) skep gebaseer op stikstof-leegheid "kleursentrums" in diamant vir gebruik in kwantumrekenaarhardeware. Die heuningkoekpatroon in die foto toon die verskil tussen areas wat aan die balk (donkerder) blootgestel is en afgemaskerde areas. Resultate dui daarop dat dit moontlik behoort te wees om 10,000 XNUMX gekoppelde qubits te skep oor 'n afstand van omtrent die breedte van 'n menslike haar, 'n ongeëwenaarde aantal en digtheid van qubits. Krediet: Susan Brand/Berkeley Lab)
'n Nuwe manier om self-belynde 'kleursentrums' te vorm beloof skaalbaarheid tot meer as 10,000 XNUMX qubits vir toepassings in kwantumwaarneming en quantum computing.
Om die geweldige belofte van kwantumrekenaars te bereik, vereis nuwe ontwikkelings op elke vlak, insluitend die rekenaarhardeware self. 'n Internasionale span navorsers onder leiding van Lawrence Berkeley Nasionale Laboratorium (Berkeley Lab) het 'n manier ontdek om ioonstrale te gebruik om lang stringe "kleursentrum"-kwbits in diamant te skep. Hulle werk word in die joernaal uiteengesit TN Briewe.
Die skrywers sluit verskeie van Berkeley Lab in: Arun Persaud, wat die studie gelei het, en Thomas Schenkel, hoof van die Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) se Fusion Science & Ion Beam Technology Program, asook Casey Christian (nou saam met Berkeley Lab se Fisika-afdeling), Edward Barnard van Berkeley Lab's Molecular Foundry, en ATAP-geaffilieerde Russell E. Lake.
Die skep van groot getalle kwantumbisse (qubits) van hoë gehalte, naby genoeg om aan mekaar te koppel, is een van die groot uitdagings van kwantumberekening. In samewerking met kollegas wêreldwyd, het die span die gebruik van ioonstrale ondersoek om kunsmatige kleursentrums in diamant te skep vir gebruik as qubits.
Kleursentrums is mikroskopiese defekte – afwykings van die streng roosterstruktuur van 'n kristal, soos diamant. Die tipe defek wat van spesifieke belang is vir qubits is 'n stikstof atoom langs 'n vakature, of leë spasie, in 'n diamantrooster. (Stikstof word algemeen gevind in die kristalrooster van diamant, wat hoofsaaklik 'n kristallyne vorm van koolstof is, en kan bydra tot die kleur van die klip.)
Wanneer opgewonde deur die vinnige energieneerlegging van 'n verbygaande ioon, kan stikstof-leegstandsentrums in die diamantrooster vorm. Die elektron- en kernspin van stikstof-leegstandsentrums en die aangrensende koolstofatome kan almal as vastestof-kwantite funksioneer, en die kristalrooster kan help om hul samehang en onderlinge verstrengeling te beskerm.
ATAP-afdeling se personeelwetenskaplike Arun Persaud, hoofondersoeker van hierdie poging. Krediet: Marilyn Sargent/Berkeley Lab
Die resultaat is 'n fisies duursame stelsel wat nie in 'n kriogene omgewing gebruik hoef te word nie, wat aantreklike eienskappe is vir kwantumsensors en ook vir kwantumbits in hierdie tipe vastestof-kwantumrekenaar. Dit was egter 'n uitdaging om genoeg qubits te maak, en dit naby genoeg aan mekaar te maak.
Wanneer vinnige (hoë-energie) swaar ione soos die balke wat hierdie span gebruik het - goudione met 'n kinetiese energie van ongeveer een biljoen elektronvolt - deur 'n materiaal, soos stikstofgedoteerde diamant gaan, laat hulle 'n spoor van stikstofleegheid agter. sentreer langs hul spore. Daar is gevind dat kleursentrums direk gevorm word, sonder dat verdere uitgloeiing (hittebehandeling) nodig is. Wat meer is, hulle het al langs die ioonspore gevorm, eerder as net aan die einde van die ioonreeks soos verwag is uit vroeëre studies met laer-energie-ione. In hierdie reguit "perkolasiekettings" word kleurmiddelpunte oor afstande van tientalle mikrons in lyn gebring, en is net 'n paar nanometer van hul naaste bure af. 'n Tegniek wat deur Berkeley Lab se Molecular Foundry ontwikkel is, het kleursentrums met diepte-resolusie gemeet.
Die werk oor qubit-sintese ver van ewewig is ondersteun deur die Departement van Energie se Kantoor van Wetenskap. Die volgende stap in die navorsing sal wees om 'n groep van hierdie kleursentrums fisies uit te sny - wat soos 'n reeks krale aan 'n toutjie is - en te wys dat hulle inderdaad so nou gekoppel is dat dit as kwantumregisters gebruik kan word.
Resultate wat in die huidige artikel gepubliseer is, toon dat dit moontlik sal wees om kwantumregisters met tot ongeveer 10,000 50 gekoppelde qubits te vorm – twee grootteordes groter as wat tot dusver bereik is met die komplementêre tegnologie van ioonvangkwbits – oor 'n afstand van ongeveer XNUMX mikron (ongeveer die breedte van 'n menslike haar).
"Interaksies van vinnige swaar ione met materiale is vir dekades bestudeer vir 'n verskeidenheid doeleindes, insluitend die gedrag van kernmateriaal en die uitwerking van kosmiese strale op elektronika," het Schenkel gesê.
Hy het bygevoeg dat navorsers wêreldwyd probeer het om kwantummateriaal te maak deur kunsmatige kleursentrums in diamant te veroorsaak. “Die vastestofbenaderings tot kwantumrekenaar-hardeware skaal pragtig, maar integrasie was 'n uitdaging. Dit is die eerste keer dat direkte vorming van kleur-sentrum qubits langs stringe waargeneem is.”
Die sterre, soos diamante
Op 'n minuskule en efemere skaal (nanometer en pikosekondes) produseer die afsetting van energie deur die ioonstrale 'n toestand van hoë temperatuur, wat Schenkel vergelyk met die oppervlak van die son, in die 5000 K-reeks, en druk. Behalwe om koolstofatome uit die kristalrooster van diamant te slaan, kan hierdie effek fundamentele studies van eksotiese toestande van verbygaande warm digte materie moontlik maak, 'n toestand van materie wat in baie sterre en groot planete voorkom en wat moeilik is om direk op Aarde te bestudeer.
Dit kan ook die vorming van nuwe qubits met pasgemaakte eienskappe moontlik maak wat nie met konvensionele metodes gevorm kan word nie. "Dit open 'n nuwe rigting vir die uitbreiding van ons vermoë om kwantumregisters te vorm," het Schenkel gesê.
Kloksgewys van links onder: ATAP-afdeling se nadoktorale skoliere Sahel Hakimi en Lieselotte Obst-Huebl, en personeelwetenskaplikes Kei Nakamura en Qing Ji, word by die teikenkamer van die iP2-straallyn gewys. 'n Hoë-intensiteit, kort-brandpunt-lengte straallyn, nou in aanbou met DOE Office of Fusion Energy Sciences ondersteuning, iP2 sal gebruik word vir laser-gebaseerde ioonversnelling by die Berkeley Lab Laser Accelerator Centre (BELLA). Laser-plasma-ioonversnelling bied die hoop om baie funksies uit te voer met 'n fasiliteit wat aansienlik kleiner is as konvensionele versnellers. Krediet: Thor Swift/Berkeley Lab
Tans word kleurmiddelstringe gevorm met strale van groot deeltjieversnellers, soos die een by die Duitse laboratorium GSI wat in hierdie navorsing gebruik is. In die toekoms kan hulle met kompakte laser-plasma versnellers soos dié wat by die Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA)-sentrum ontwikkel word.
Die BELLA-sentrum ontwikkel aktief sy ioonversnellingsvermoëns met befondsing deur die DOE Kantoor van Wetenskap. Hierdie vermoëns sal as deel van LaserNetUS gebruik word. Ioonpulse van laser-plasmaversnelling is baie intens en vergroot ons vermoë om verbygaande toestande van hoogs opgewonde en warm materiale vir qubit-sintese onder nuwe toestande grootliks te vorm.
Meer fasette in materiaalwetenskap ver van ewewig
Die proses om hierdie kleursentrums te skep is interessant in sy eie reg en moet beter verstaan word as deel van verdere vordering in hierdie toepassings. Die besonderhede van hoe 'n intense ioonstraal energie neerlê terwyl dit die diamantmonsters deurkruis, en die presiese meganisme waardeur dit tot kleursentrumvorming lei, hou opwindende vooruitsigte vir verdere navorsing in.
"Hierdie werk demonstreer beide die ontdekkingswetenskaplike geleenthede en die potensiaal vir maatskaplik transformerende innovasies wat deur die strale van versnellers moontlik gemaak word," sê Cameron Geddes, direkteur van ATAP-afdeling. "Met versnellers skep ons unieke toestande van materie en nuwe vermoëns wat nie op ander maniere moontlik is nie."
Verwysing: "Direkte vorming van stikstof-leegstandsentrums in stikstof gedoteerde diamant langs die trajekte van vinnige swaar ione" deur Russell E. Lake, Arun Persaud, Casey Christian, Edward S. Barnard, Emory M. Chan, Andrew A. Bettiol, Marilena Tomut, Christina Trautmann en Thomas Schenkel, 24 Februarie 2021, TN Briewe.
DOI: 10.1063 / 5.0036643
