Kvantbeteende spelar en avgörande roll för nya och nya materialegenskaper, såsom supraledning och magnetism. Tyvärr, det är fortfarande omöjligt att beräkna det underliggande kvantbeteendet, än mindre helt förstå det. Forskare från QuTech, Kavli Institute of Nanoscience i Delft och TNO, i samarbete med ETH Zürich och University of Maryland, har nu lyckats bygga ett "artificiellt material" som efterliknar denna typ av kvantbeteende i liten skala. Genom att göra så, de har lagt grunden för nya insikter och potentiella tillämpningar. Deras arbete publiceras idag i Natur .

Under det senaste århundradet, en ökad förståelse för halvledarmaterial har lett till många tekniska förbättringar, som att datorchips blir allt snabbare och mindre. Vi är, dock, gradvis nå gränserna för Moores lag, trenden som förutspår en fördubbling i datorkraft för halva priset vartannat år. Men denna förutsägelse ignorerar möjligheten att datorer kan utnyttja kvantfysik.

"Det finns så mycket fysik kvar att upptäcka om vi verkligen vill förstå material i allra minsta skala, "säger Lieven Vandersypen, en professor vid TU Delft i Nederländerna och den ledande experimentisten på det nya papperet. Och att den nya fysiken kommer att ge ännu mer ny teknik med sig. "Svårigheten är att i denna skala, kvanteori bestämmer elektronernas beteende och det är praktiskt taget omöjligt att beräkna detta beteende exakt även för bara en handfull elektroner, använder även de mest kraftfulla superdatorer, "Säger Vandersypen.

Forskare kombinerar nu kraften i halvledarindustrin med sin kunskap om kvantteknik för att efterlikna beteendet hos elektroner i material - en teknik som kallas kvantsimulering. "Jag hoppas det, Inom en snar framtid, detta gör att vi kan lära oss så mycket om material att vi kan öppna några viktiga dörrar inom teknik, såsom utformning av superledare vid rumstemperatur, att möjliggöra förlustfri energitransport över långa sträckor, till exempel, "Säger Vandersypen.

Efterliknar naturen

Det har länge varit känt att enskilda elektroner kan begränsas till små områden på ett chip, kallas kvantprickar. Det finns, i princip, lämplig för att undersöka beteende och interaktioner mellan elektroner i material. De fångade elektronerna kan röra sig, eller tunnel, mellan kvantprickarna på ett kontrollerat sätt, medan de interagerar genom att de negativa laddningarna avvisas. "Processer som dessa i kvantprickar, kyls till en bråkdel av en grad över absolut noll, är perfekt lämpade för att simulera de elektroniska egenskaperna hos nya material, "säger Toivo Hensgens, en doktorand vid TU Delft och huvudförfattare till tidningen.

I praktiken, det är en stor utmaning att styra elektronerna i kvantpunkter så exakt att den underliggande fysiken blir synlig. Brister i kvantchipsen och ineffektiva metoder för att kontrollera elektronerna i prickarna har gjort detta till en särskilt svår nöt att knäcka.

Kvantutrustning

Forskare har nu visat en metod som är både effektiv och kan skalas upp till ett större antal kvantpunkter. Antalet elektroner i varje kvantpunkt kan ställas in från 0 till 4 och chansen att tunnla mellan angränsande prickar kan varieras från försumbar till den punkt där angränsande prickar faktiskt blir en stor prick. "Vi använder spänningar för att förvränga det (potentiella) landskapet som elektronerna känner, "förklarar Hensgens." Den spänningen bestämmer antalet elektroner i prickarna och de relativa interaktionerna mellan dem. "

I ett kvantchip med tre kvantprickar, QuTech -teamet har visat att de kan simulera en serie materialprocesser experimentellt. Men det viktigaste resultatet är metoden som de har visat. "Vi kan nu enkelt lägga till fler kvantpunkter med elektroner och styra det potentiella landskapet på ett sådant sätt att vi i slutändan kan simulera mycket stora och intressanta kvantprocesser, "Säger Hensgens.

Vandersypen -teamet strävar efter att gå vidare mot fler kvantprickar så snart som möjligt. För att uppnå det, han och hans kollegor har ingått ett nära samarbete med chipmakaren Intel. "Deras kunskap och expertis inom halvledartillverkning i kombination med vår djupa förståelse för kvantkontroll erbjuder möjligheter som nu kommer att bära frukt, " han säger.