Пучки ионов могут создавать цепочки тесно связанных квантовых битов (кубитов) на основе азотно-вакансионных «центров окраски» в алмазе для использования в аппаратном обеспечении квантовых вычислений. Сотовый рисунок на фотографии показывает разницу между областями, подвергнутыми воздействию луча (более темными), и областями, закрытыми маской. Результаты показывают, что должно быть возможно создать 10,000 XNUMX связанных кубитов на расстоянии примерно ширины человеческого волоса, непревзойденном количестве и плотности кубитов. Предоставлено: Сьюзан Брэнд / Лаборатория Беркли)
Новый способ формирования самовыравнивающихся «центров окраски» обещает масштабируемость до более чем 10,000 XNUMX кубитов для приложений в квантовом зондировании и квантовые вычисления.
Достижение огромных перспектив квантовых вычислений требует новых разработок на всех уровнях, включая само вычислительное оборудование. Международная группа исследователей, возглавляемая Национальной лабораторией Лоуренса Беркли (Berkeley Lab), обнаружила способ использования ионных пучков для создания длинных цепочек кубитов «цветных центров» в алмазе. Их работа подробно описана в журнале. Applied Physics Letters.
Среди авторов несколько человек из Berkeley Lab: Арун Персо, который руководил исследованием, и Томас Шенкель, руководитель программы Fusion Science & Ion Beam Technology подразделения Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP), а также Кейси Кристиан (теперь с Berkeley Lab's Physics Division), Эдварда Барнарда из Molecular Foundry лаборатории Беркли и Рассела Э. Лейка, филиала ATAP.
Создание большого количества высококачественных квантовых битов (кубитов) в непосредственной близости для связи друг с другом - одна из самых сложных задач квантовых вычислений. Сотрудничая с коллегами по всему миру, команда изучает возможности использования ионных пучков для создания искусственных центров окраски в алмазе для использования в качестве кубитов.
Центры окраски - это микроскопические дефекты - отклонения от строгой кристаллической решетки кристалла, такого как алмаз. Тип дефекта, который представляет особый интерес для кубитов, - это азотистый атом рядом с вакансией или пустым местом в решетке алмаза. (Азот обычно содержится в кристаллической решетке алмаза, который в первую очередь представляет собой кристаллическую форму углерода и может влиять на цвет камня.)
При возбуждении за счет быстрого энерговыделения проходящего иона в решетке алмаза могут образовываться центры вакансий азота. Электронные и ядерные спины центров вакансий азота и соседних атомов углерода могут функционировать как твердотельные кубиты, а кристаллическая решетка может помочь защитить их когерентность и взаимную запутанность.
Штатный научный сотрудник отдела ATAP Арун Персо, главный исследователь этой работы. Предоставлено: Мэрилин Сарджент / Лаборатория Беркли.
Результатом является физически прочная система, которую не нужно использовать в криогенной среде, что является привлекательным атрибутом для квантовых датчиков, а также для кубитов в этом типе твердотельного квантового компьютера. Однако сделать достаточно кубитов и сделать их достаточно близко друг к другу было непросто.
Когда быстрые (высокоэнергетические) тяжелые ионы, такие как лучи, которые использовала эта команда, - ионы золота с кинетической энергией около одного миллиарда электрон-вольт - проходят через материал, такой как легированный азотом алмаз, они оставляют след из вакансий азота. центры по их следам. Установлено, что центры окраски образуются напрямую, без необходимости дальнейшего отжига (термообработки). Более того, они образовывались по всей длине ионных треков, а не только в конце ионного пробега, как ожидалось из более ранних исследований с ионами более низких энергий. В этих прямых «перколяционных цепочках» кубиты с центрами окраски выровнены на расстояниях в десятки микрон и находятся всего в нескольких нанометрах от своих ближайших соседей. Методика, разработанная Molecular Foundry лаборатории Беркли, позволяет измерять центры окраски с разрешением по глубине.
Работа по синтезу кубитов, далеких от равновесия, была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США. Следующим шагом в исследовании будет физическое вырезание группы этих центров окраски, которые похожи на серию бусинок на нитке, и показать, что они действительно настолько тесно связаны, что их можно использовать в качестве квантовых регистров.
Результаты, опубликованные в данной статье, показывают, что можно будет сформировать квантовые регистры примерно из 10,000 50 связанных кубитов - на два порядка больше, чем достигнутая до сих пор с помощью дополнительной технологии кубитов-ловушек - на расстоянии около XNUMX микрон. (примерно шириной с человеческий волос).
«Взаимодействие быстрых тяжелых ионов с материалами изучается на протяжении десятилетий для различных целей, включая поведение ядерных материалов и влияние космических лучей на электронику», - сказал Шенкель.
Он добавил, что исследователи во всем мире пытались создать квантовые материалы, искусственно создавая центры окраски в алмазе. «Твердотельные подходы к аппаратному обеспечению квантовых вычислений прекрасно масштабируются, но интеграция была сложной задачей. Это первый случай, когда наблюдается прямое образование кубитов с центрами окраски вдоль струн ».
Звезды, как бриллианты
В крошечном и эфемерном масштабе (нанометры и пикосекунды) вклад энергии ионными пучками создает состояние высокой температуры, которое Шенкель сравнивает с поверхностью Солнца в диапазоне 5000 К, и давлением. Помимо выбивания атомов углерода из кристаллической решетки алмаза, этот эффект мог бы позволить фундаментальные исследования экзотических состояний переходной теплой плотной материи, состояния материи, которое присутствует во многих звездах и больших планетах и которое трудно изучать непосредственно на Земле.
Это также может позволить формировать новые кубиты с заданными свойствами, которые невозможно сформировать обычными методами. «Это открывает новое направление для расширения наших возможностей по формированию квантовых регистров», - сказал Шенкель.
По часовой стрелке снизу слева: постдокторанты отдела ATAP Сахель Хакими и Лизелотт Обст-Хюбл, а также штатные ученые Кей Накамура и Цин Джи показаны в целевой камере лучевого канала iP2. Линия пучка высокой интенсивности с коротким фокусным расстоянием, которая в настоящее время строится при поддержке Министерства энергетики США по наукам о термоядерной энергии, iP2 будет использоваться для лазерного ускорения ионов в Центре лазерных ускорителей лаборатории Беркли (BELLA). Ускорение ионов в лазерной плазме дает надежду на выполнение многих функций с использованием установки, значительно меньшей, чем обычные ускорители. Предоставлено: Тор Свифт / Лаборатория Беркли.
В настоящее время струны центров окраски формируются с помощью лучей от крупных ускорителей частиц, таких как тот, который использовался в немецкой лаборатории GSI в этом исследовании. В будущем их можно будет изготавливать с помощью компактных лазерных устройств.плазма ускорители, подобные тем, которые разрабатываются в Центре лазерных ускорителей лаборатории Беркли (BELLA).
Центр BELLA активно развивает свои возможности по ускорению ионов при финансовой поддержке Управления науки Министерства энергетики США. Эти возможности будут использоваться как часть LaserNetUS. Ионные импульсы от лазерно-плазменного ускорения очень интенсивны и значительно расширяют нашу способность формировать переходные состояния высоковозбужденных и горячих материалов для синтеза кубитов в новых условиях.
Еще больше аспектов материаловедения, далеких от равновесия
Процесс создания этих центров окраски интересен сам по себе, и его следует лучше понять как часть дальнейшего прогресса в этих приложениях. Детали того, как интенсивный ионный пучок выделяет энергию при прохождении через алмазные образцы, и точный механизм, с помощью которого это приводит к образованию центров окраски, открывают захватывающие перспективы для дальнейших исследований.
«Эта работа демонстрирует как возможности открытий в науке, так и потенциал трансформирующих общество инноваций, обеспечиваемых пучками ускорителей», - говорит директор подразделения ATAP Кэмерон Геддес. «С помощью ускорителей мы создаем уникальные состояния материи и новые возможности, которые невозможно реализовать другими способами».
Ссылка: «Прямое образование азотно-вакансионных центров в легированном азотом алмазе вдоль траекторий быстрых тяжелых ионов» Рассел Э. Лейк, Арун Персо, Кейси Кристиан, Эдвард С. Барнард, Эмори М. Чан, Эндрю А. Беттиол, Марилена Томут, Кристина Траутманн и Томас Шенкель, 24 февраля 2021 г., Applied Physics Letters.
DOI: 10.1063 / 5.0036643
