Kvantdatorer är experimentella enheter som erbjuder stora hastigheter på vissa beräkningsproblem. Ett lovande tillvägagångssätt för att bygga dem innebär att utnyttja nanometerskaliga atomära defekter i diamantmaterial.

Men praktiskt, diamantbaserade kvantberäkningsenheter kommer att kräva förmågan att placera dessa defekter på exakta platser i komplexa diamantstrukturer, där defekterna kan fungera som qubits, de grundläggande enheterna för information i kvantberäkning. I dagens av Naturkommunikation , ett team av forskare från MIT, Harvard Universitet, och Sandia National Laboratories rapporterar en ny teknik för att skapa riktade defekter, som är enklare och mer exakt än sina föregångare.

I experiment, defekterna som orsakades av tekniken var, i genomsnitt, inom 50 nanometer från deras idealiska lägen.

"Drömscenariot inom kvantinformationsbehandling är att skapa en optisk krets för att överföra fotoniska qubits och sedan placera ett kvantminne där du behöver det, säger Dirk Englund, en docent i elektroteknik och datavetenskap som ledde MIT-teamet. "Vi är nästan där med det här. Dessa sändare är nästan perfekta."

Den nya tidningen har 15 medförfattare. Sju är från MIT, inklusive Englund och första författaren Tim Schröder, som var postdoc i Englunds labb när arbetet gjordes och nu är biträdande professor vid Köpenhamns universitets Niels Bohr Institute. Edward Bielejec ledde Sandia-teamet, och fysikprofessor Mikhail Lukin ledde Harvard-teamet.

Överklagande defekter

kvantdatorer, som fortfarande till stor del är hypotetiska, utnyttja fenomenet quantum "superposition, " eller små partiklars kontraintuitiva förmåga att samtidigt leva i motstridiga fysiska tillstånd. En elektron, till exempel, kan sägas vara på mer än en plats samtidigt, eller att ha båda två motsatta magnetiska orienteringar.

Där en bit i en konventionell dator kan representera noll eller ett, en "qubit, "eller kvantbit, kan representera noll, ett, eller båda samtidigt. Det är förmågan hos strängar av qubits att, på något vis, utforska samtidigt flera lösningar på ett problem som lovar beräkningshastigheter.

Diamantdefekta qubits härrör från kombinationen av "vakanser, "som är platser i diamantens kristallgitter där det borde finnas en kolatom men det finns ingen, och "dopanter, " som är atomer av andra material än kol som har hittat sin väg in i gittret. Tillsammans dopningsmedlet och den lediga tjänsten skapar ett dopmedelsvakans "center, " som har fria elektroner associerade med sig. Elektronernas magnetiska orientering, eller "snurra, "som kan vara i superposition, utgör qubiten.

Ett ständigt problem i utformningen av kvantdatorer är hur man läser information ur qubits. Diamantdefekter är en enkel lösning, eftersom de är naturliga ljussändare. Faktiskt, de lätta partiklarna som emitteras av diamantdefekter kan bevara överlagringen av qubits, så att de kunde flytta kvantinformation mellan kvantberäkningsenheter.

Silikonbrytare

Den mest studerade diamantdefekten är kvävevakanscentret, som kan bibehålla superposition längre än någon annan kandidat-qubit. Men den avger ljus i ett relativt brett spektrum av frekvenser, vilket kan leda till felaktigheter i de mätningar som kvantberäkningen bygger på.

I deras nya tidning, MIT, Harvard, och Sandia-forskare använder istället kisel-vakanscenter, som avger ljus i ett mycket smalt frekvensband. De upprätthåller inte naturligt superposition också, men teorin tyder på att kylning av dem till temperaturer i millikelvinintervallet - bråkdelar av en grad över absolut noll - skulle kunna lösa det problemet. (Kväve-vacancy-center qubits kräver kylning till relativt ljumma 4 kelvin.)

För att vara läsbar, dock, signalerna från ljusemitterande qubits måste förstärkas, och det måste vara möjligt att styra dem och kombinera dem igen för att utföra beräkningar. Därför är förmågan att exakt lokalisera defekter viktig:Det är lättare att etsa in optiska kretsar i en diamant och sedan sätta in defekterna på rätt ställen än att skapa defekter på måfå och sedan försöka konstruera optiska kretsar runt dem.

I den process som beskrivs i den nya tidningen, forskarna från MIT och Harvard hyvlade först ner en syntetisk diamant tills den bara var 200 nanometer tjock. Sedan etsade de optiska hålrum i diamantens yta. Dessa ökar ljusstyrkan på ljuset som sänds ut av defekterna (samtidigt som emissionstiderna förkortas).

Sedan skickade de diamanten till Sandia-teamet, som har anpassat en kommersiell enhet som kallas Nano-Implanter för att spruta ut strömmar av kiseljoner. Sandia-forskarna avfyrade 20 till 30 kiseljoner i var och en av de optiska kaviteterna i diamanten och skickade tillbaka den till Cambridge.

Mobila lediga jobb

Vid denna tidpunkt, endast cirka 2 procent av hålrummen hade tillhörande kiselvakanscenter. Men forskarna från MIT och Harvard har också utvecklat processer för att spränga diamanten med elektronstrålar för att skapa fler vakanser, och sedan värma diamanten till cirka 1, 000 grader Celsius, vilket gör att vakanserna rör sig runt kristallgittret så att de kan binda till kiselatomer.

Efter att forskarna hade utsatt diamanten för dessa två processer, avkastningen hade tiodubblats, till 20 procent. I princip, Upprepningar av processerna bör öka utbytet av vakanscentra för kisel ytterligare.

När forskarna analyserade platserna för kisel-vakanscentra, de fann att de var inom cirka 50 nanometer från sina optimala positioner vid kanten av kaviteten. Det översattes till emitterat ljus som var cirka 85 till 90 procent så starkt som det kunde vara, vilket fortfarande är väldigt bra.