Kvantdatorer har potential att förändra områden som medicin, cybersäkerhet och artificiell intelligens genom att lösa svåra optimeringsproblem som ligger utom räckhåll för konventionell datorhårdvara.

Men tekniken för att tillverka enheterna i stor skala finns ännu inte.

Forskare vid University of Texas i Dallas har utvecklat en teknik som kan ta bort en av utmaningarna med att skala produktionen av kiselkvantenheter. Forskarna beskrev sin metod, som ger större kontroll och precision under tillverkningsprocessen, i en studie publicerad online den 28 maj och i juli tryckta upplagan av Journal of Vacuum Science &Technology B . Kisel är det föredragna materialet för basen av kvantenheter på grund av dess kompatibilitet med konventionell halvledarteknologi.

Studiens motsvarande författare, Dr. Reza Moheimani, James Von Ehr Distinguished Chair in Science and Technology och professor i systemteknik vid Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science, fick ett anslag på 2,4 miljoner USD från det amerikanska energidepartementet 2019 för att utveckla teknologi för atomärt exakt tillverkning, processen att bygga nya material och anordningar atom för atom.

Moheimanis team tar itu med en rad utmaningar för tillverkning av kvantenheter.

"Vårt senaste arbete ökar precisionen i tillverkningsprocessen, " sade Moheimani. "Vi arbetar också med att öka genomströmningen, hastighet och tillförlitlighet."

Forskarnas metod för att bygga en kiselbaserad qubit, eller kvantbit, den grundläggande informationsenheten i en kvantdator, börjar med en atomärt plan kiselyta belagd med ett lager av väte, som förhindrar att andra atomer eller molekyler absorberas i ytan. Nästa, forskare använder ett scanning tunneling microscope (STM), som har en sond med en atomärt vass spets, fungerar som en mikrorobotarm, för att selektivt avlägsna väteatomer från ytan. STM designades för att avbilda atomära egenskaper på en yta, dock, forskare använder också enheten för att manipulera atomer i ett läge som kallas hydrogen depassivation lithography (HDL).

Den mödosamma processen innebär att placera spetsen över en väteatom, lägga till en högfrekvent signal till spetsprovets förspänning och öka amplituden för högfrekvenssignalen tills väteatomen lossnar från ytan, avslöjar kisel undertill. Efter att ett förutbestämt antal väteatomer selektivt avlägsnats från ytan, fosfingas införs i miljön och efter en specifik process, atomer av fosfor adsorberas till ytan, där var och en fungerar som en qubit.

Problemet med konventionell HDL är att det kan vara lätt för operatören att plocka fel väteatom vilket resulterar i skapandet av qubits på oönskade platser. Att använda STM för HDL kräver en högre spänning än för bildbehandling, vilket alltför ofta får spetsen att krascha in i ytprovet, tvingar operatören att börja om.

Forskarna arbetade med sin lösning på STM-tip-crash-problemet när de upptäckte en mer exakt metod för att manipulera ytatomerna.

"Konventionell litografi kan inte uppnå den erforderliga atomprecisionen, " sade Moheimani. "Frågeställningen är att vi använder ett mikroskop för att göra litografi; vi använder en enhet för att göra något den inte är designad för."

Forskarna fann att de kunde uppnå högre precision genom att utföra HDL i avbildningsläge, snarare än det konventionella litografiska läget, med vissa justeringar av spänningen och en förändring av STM:s återkopplingsstyrsystem.

"Vi insåg att vi faktiskt kunde använda den här metoden för att ta bort väteatomer på ett kontrollerat sätt, " sade Moheimani. "Detta kom som en överraskning. Det är en av de saker som händer under experiment, och du försöker förklara det och dra nytta av det."

Kvantdatorer förväntas kunna lagra mer information än nuvarande datorer. Strömtransistorer, vilken reläinformation, kan inte göras mindre, sa Hamed Alemansour, en maskinteknisk doktorand och huvudförfattare till studien.

"Den typ av teknik som används nu för att tillverka transistorer har nått sin gräns. Det är svårt att minska storleken mer med konventionella metoder, " sa Alemansour.

Medan en konventionell dator använder de exakta värdena på 1:or och 0:or för att göra beräkningar, de grundläggande logiska enheterna i en kvantdator är mer flytande, med värden som kan existera som en kombination av 1:or och 0:or samtidigt eller var som helst däremellan. Det faktum att en qubit kan representera två tal samtidigt gör att kvantdatorn kan bearbeta information mycket snabbare.

En av nästa utmaningar, Moheimani sa, kommer att vara att utveckla teknik för att driva flera STM-tips åt gången.

"Tänk om vi kan använda 10 eller 100 spetsar parallellt med varandra så att vi kan göra samma litografi multiplicerat med 100 gånger? Tänk om vi kan göra det 10 gånger snabbare? Om vi ​​kan tillverka 100 qubits 10 gånger snabbare, vi är 1, 000 gånger bättre redan, " sa Moheimani.