Qubits är byggstenen för kvantteknologi, och att hitta eller bygga kvantbitar som är stabila och lätta att manipulera är ett av de centrala målen för kvantteknologisk forskning. Forskare har funnit att en atom av erbium – en sällsynt jordartsmetall som ibland används i laser eller för att färga glas – kan vara en mycket effektiv qubit.
För att göra erbium qubits placeras erbiumatomer i "värdmaterial", där erbiumatomerna ersätter några av materialets ursprungliga atomer. Två forskargrupper – en vid quantum startup memQ, en Chicago Quantum Exchange företagspartner, och en vid det amerikanska energidepartementets Argonne National Laboratory, en CQE-medlem – har använt olika värdmaterial för erbium för att främja kvantteknologi, vilket visar mångsidigheten i detta typ av qubit och belyser vikten av materialvetenskap för kvantberäkning och kvantkommunikation.
De två projekten tar itu med utmaningar som kvantberäkningsforskare har försökt lösa:konstruera multi-qubit-enheter och förlänga den tid som kvantbitar kan hålla information.
"Arbetet som dessa två ansträngningar har gjort belyser verkligen hur mycket material spelar roll för kvantteknologi", säger F. Joseph Heremans, personalforskare vid Argonne som var involverad i båda projekten. "Omgivningen som qubiten finns i är lika kritisk som qubiten själv."
Erbium är populärt som en qubit eftersom det effektivt kan överföra kvantinformation över samma typ av optisk fiber som kanaliserar internet och telefonlinjer; dess elektroner är också arrangerade på ett sådant sätt att den är särskilt motståndskraftig mot den typ av miljöförändringar som kan göra att en qubit förlorar sin information.
Men tillväxtprocessen som sätter in erbium i värdmaterialet sprider atomerna genom hela materialet på ett sätt som forskarna inte kan kontrollera exakt, vilket gör det svårt att designa multi-qubit-enheter. I en helt ny teknik har forskare vid memQ upptäckt en lösning:"aktivera" endast vissa erbiumatomer med en laser.
Verket publiceras i tidskriften Applied Physics Letters .
"Vi placerar faktiskt inte erbiumet på specifika ställen, erbiumet är utspritt över hela materialet", säger Sean Sullivan, CTO och medgrundare av memQ, som är examen från Duality, kvantstartacceleratorn som leds av Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation vid University of Chicago och CQE tillsammans med grundande partners University of Illinois Urbana-Champaign, Argonne och P33.
"Men genom att använda en laser kan vi ändra kristallstrukturen i ett visst område, och det ändrar egenskaperna hos erbium i det området. Så vi väljer vilket erbium som ska användas som qubits."
Tekniken bygger på egenskaperna hos värdmaterialet, titandioxid (TiO2 ). På grund av sin symmetri, ett kristallgitter av TiO2 har två möjliga konfigurationer. En erbiumatom som infogas i gittret kommer att kommunicera med en annan frekvens beroende på konfigurationen av TiO2 den sitter i.
I memQs teknik sprids erbium genom en film av TiO2 det är i en konfiguration. Sedan fokuseras en kraftfull laser på kristallen runt vissa erbiumatomer, vilket permanent förvränger TiO2 till sin andra konfiguration endast på dessa platser. Nu kan erbiumatomerna som valts ut av lasern alla kommunicera med samma frekvens, helt separata från de andra.
Den nya proceduren representerar ett betydande framsteg inom detta område av kvantteknologi, känd som solid state-teknologi.
"Du kan inte använda qubits på 100 slumpmässiga platser för att bygga något användbart", säger Manish Singh, VD och medgrundare av memQ. "Med vår plattform kan vi välja vilket erbium vi vill använda i layouten som vi vill använda dem, en förmåga som har undvikit solid state-gemenskapen under lång tid."
Ett avgörande mått på en qubits effektivitet är dess koherenstid:hur lång tid den kan behålla kvantinformation. Detta är särskilt viktigt för qubits avsedda att användas som kvantminne, kvantmotsvarigheten till klassiskt datorminne. Men koherens är mycket ömtålig – en qubit kan förlora koherens från att interagera med något i sin omgivning, som luft eller värme.
Erbiumatomer kan behålla kvantinformation med hjälp av sina elektroner, som har en egenskap som kallas "spin". En kärna, klustret av protoner och neutroner i centrum av en atom, har också "snurr", och spinn av elektroner och kärnor kan påverka varandra. Ett vanligt sätt för en erbium-qubit att förlora sin kvantinformation är om dess elektronspin interagerar med ett kärnspinn från en av atomerna runt den.
Av denna anledning sökte Argonne-forskaren Jiefei Zhang efter ett värdmaterial för erbium som hade lägsta möjliga kärnspinn, men som också skulle kunna tillverkas med mer traditionell kiselteknologi. Hon hittade den med en annan oxid, den här gången av ett sällsynt jordartsmetall:ceriumdioxid, även känd som ceriumoxid (CeO2 ).
Cerium är det vanligaste grundämnet av sällsynta jordartsmetaller och används som oxidationsmedel och katalysator inom industriell kemi. Till skillnad från TiO2 , som har flera möjliga strukturella konfigurationer, CeO2 har bara en och är extremt symmetrisk. På grund av detta, erbium qubits i CeO2 är mer stabila.
"Två olika erbium qubits i cerium kommer att se samma kristallmiljö," sade Zhang. "Och så det är väldigt lätt att kontrollera dem samtidigt eftersom de kommer att agera på ett väldigt liknande sätt."
Noterbart är att den nya lokaliseringstekniken som utvecklats av memQ inte är möjlig med en mycket symmetrisk kristallstruktur som CeO2 – men Zhang kunde se längre koherenstider från erbium-qubits, med potential för ännu längre när de fortsätter att utveckla experimentet. Verket finns på preprint-servern arXiv .
"Det finns definitivt för- och nackdelar för varje material, och det är väldigt vanligt i kvantum", sa Zhang.
Mer information: Sean E. Sullivan et al, kvasi-deterministisk lokalisering av Er-sändare i tunnfilm TiO2 genom submikronskala kristallin faskontroll, Applied Physics Letters (2023). DOI:10.1063/5.0176610
Jiefei Zhang et al, Optical and spin coherence of Er 3+ i epitaxial CeO2 på kisel, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2309.16785
Journalinformation: arXiv , Tillämpade fysikbrev
Tillhandahålls av University of Chicago
