För att uppnå det enorma löftet om kvantberäkning krävs ny utveckling på alla nivåer, inklusive själva datorhårdvaran. Ett internationellt team av forskare ledd av Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har upptäckt ett sätt att använda jonstrålar för att skapa långa strängar av "färgcentrum"-qubits i diamant. Deras arbete beskrivs detaljerat i tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik .

Författarna inkluderar flera från Berkeley Lab:Arun Persaud, som ledde studien, och Thomas Schenkel, chef för Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) Divisions Fusion Science &Ion Beam Technology Program, samt Casey Christian (nu med Berkeley Labs fysikavdelning), Edward Barnard från Berkeley Labs Molecular Foundry, och ATAP-filialen Russell E. Lake.

Skapa ett stort antal högkvalitativa kvantbitar (qubits), tillräckligt nära för att kunna kopplas till varandra, är en av de stora utmaningarna med kvantberäkning. Samarbeta med kollegor över hela världen, teamet har undersökt användningen av jonstrålar för att skapa artificiella färgcentra i diamant för användning som qubits.

Färgcentra är mikroskopiska defekter – avvikelser från den rigorösa gitterstrukturen hos en kristall, såsom diamant. Den typ av defekt som är av specifikt intresse för qubits är en kväveatom bredvid en ledig plats, eller tomt utrymme, i ett diamantgaller. (Kväve finns vanligtvis i diamantens kristallgitter, som främst är en kristallin form av kol, och kan bidra till färgen på stenen.)

När den exciteras av den snabba energiavsättningen av en passerande jon, kväve-vakanscentra kan bildas i diamantgittret. Elektron- och kärnspinn i kvävevakanscentra och de intilliggande kolatomerna kan alla fungera som fasta qubits, och kristallgittret kan hjälpa till att skydda deras koherens och inbördes intrassling.

Resultatet är ett fysiskt hållbart system som inte behöver användas i en kryogen miljö, som är attraktiva attribut för kvantsensorer och även för qubits i den här typen av solid-state kvantdatorer. Dock, göra tillräckligt med qubits, och gör dem tillräckligt nära varandra, har varit en utmaning.

När snabba (högenergi) tunga joner som strålarna som detta team använde – guldjoner med en kinetisk energi på cirka en miljard elektronvolt – passerar genom ett material, såsom kvävedopad diamant, de lämnar ett spår av vakanscentra för kväve längs sina spår. Färgcentra visade sig bildas direkt, utan behov av ytterligare glödgning (värmebehandling). Vad mer, de bildades längs jonspåren, snarare än bara i slutet av jonintervallet som hade förväntats från tidigare studier med joner med lägre energi. I dessa raka "perkolationskedjor, "färg-center qubits är justerade över avstånd på tiotals mikron, och ligger bara några nanometer från sina närmaste grannar. En teknik utvecklad av Berkeley Labs Molecular Foundry mätte färgcentra med djupupplösning.

Arbetet med qubitsyntes långt ifrån jämvikt stöddes av Department of Energy's Office of Science. Nästa steg i forskningen blir att fysiskt skära ut en grupp av dessa färgcentra – som är som en serie pärlor på ett snöre – och visa att de verkligen är så nära kopplade att de kan användas som kvantregister.

Resultat publicerade i den aktuella artikeln visar att det kommer att vara möjligt att bilda kvantregister med upp till cirka 10, 000 kopplade qubits - två storleksordningar större än vad som hittills uppnåtts med den kompletterande teknologin för jonfälla qubits - över ett avstånd på cirka 50 mikron (ungefär bredden på ett människohår).

"Interaktioner mellan snabba tunga joner och material har studerats i årtionden för en mängd olika ändamål, inklusive beteendet hos kärnmaterial och effekterna av kosmiska strålar på elektronik, sa Schenkel.

Han tillade att forskare över hela världen har försökt göra kvantmaterial genom att artificiellt inducera färgcentra i diamant. "Solid-state-tillvägagångssätten för kvantberäkningshårdvara skalas vackert, men integration har varit en utmaning. Detta är första gången som direkt bildning av färgcentrum-qubits längs strängar har observerats."

Stjärnorna, som diamanter

På en minimal och efemär skala (nanometer och pikosekunder) producerar avsättningen av energi från jonstrålarna ett tillstånd av hög temperatur, som Schenkel liknar med solens yta, i 5000 K-intervallet, och tryck. Förutom att slå ut kolatomer ur diamantens kristallgitter, denna effekt skulle kunna möjliggöra grundläggande studier av exotiska tillstånd av övergående varm tät materia, ett materiatillstånd som finns i många stjärnor och stora planeter och som är svårt att studera direkt på jorden.

Det kan också möjliggöra bildning av nya qubits med skräddarsydda egenskaper som inte kan bildas med konventionella metoder. "Detta öppnar en ny riktning för att utöka vår förmåga att bilda kvantregister, sa Schenkel.

För närvarande, färgcentrumsträngar bildas med strålar från stora partikelacceleratorer, som den vid det tyska laboratoriet GSI som användes i denna forskning. I framtiden, de kan göras med hjälp av kompakta laser-plasmaacceleratorer som de som utvecklas vid Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center.

BELLA Center utvecklar aktivt sina jonaccelerationsförmåga med finansiering från DOE Office of Science. Dessa funktioner kommer att användas som en del av LaserNetUS. Jonpulser från laser-plasmaacceleration är mycket intensiva och utökar avsevärt vår förmåga att bilda övergående tillstånd av mycket exciterade och heta material för qubit-syntes under nya förhållanden.

Fler aspekter inom materialvetenskap långt ifrån jämvikt

Processen att skapa dessa färgcentra är intressant i sig och måste förstås bättre som en del av ytterligare framsteg i dessa applikationer. Detaljerna om hur en intensiv jonstråle avsätter energi när den passerar diamantproverna, och den exakta mekanismen genom vilken detta leder till färgcentrumbildning, har spännande utsikter för vidare forskning.

"Detta arbete visar både de vetenskapliga upptäcktsmöjligheterna och potentialen för samhälleligt transformativa innovationer som möjliggörs av strålarna från acceleratorer, " säger ATAP Division Director Cameron Geddes. "Med acceleratorer, vi skapar unika tillstånd av materia och nya förmågor som inte är möjliga på andra sätt."