I 60 år har datorer blivit mindre, snabbare och billigare. Men ingenjörer närmar sig gränserna för hur små de kan göra kiseltransistorer och hur snabbt de kan driva elektricitet genom enheter för att skapa digitala ettor och nollor.

Den begränsningen är anledningen till att Stanfords elektroteknikprofessor Jelena Vuckovic tittar på kvantdatorer, som bygger på ljus snarare än el. Kvantdatorer fungerar genom att isolera spinnande elektroner inuti en ny typ av halvledarmaterial. När en laser träffar elektronen, den avslöjar åt vilket håll den snurrar genom att avge en eller flera kvanta, eller partiklar, av ljus. Dessa spin-tillstånd ersätter ettorna och nollorna för traditionell datoranvändning.

Vuckovic, som är en av världens ledande forskare inom området, nämnda kvantberäkning är idealisk för att studera biologiska system, gör kryptografi eller datautvinning – faktiskt, lösa alla problem med många variabler.

"När folk pratar om att hitta en nål i en höstack, det är där quantum computing kommer in, " Hon sa.

Marina Radulaski, en postdoktor i Vuckovics labb, sade att problemlösningspotentialen hos kvantdatorer härrör från komplexiteten i laser-elektroninteraktionerna i kärnan i konceptet.

"Med elektronik har du nollor och ettor, " sa Radulaski. "Men när lasern träffar elektronen i ett kvantsystem, det skapar många möjliga spinntillstånd, och att ett större utbud av möjligheter utgör grunden för mer komplex datoranvändning."

Fångar elektroner

Att utnyttja information baserad på interaktioner mellan ljus och elektroner är lättare sagt än gjort. Några av världens ledande teknikföretag försöker bygga massiva kvantdatorer som förlitar sig på material som är superkylt till nära absolut noll, den teoretiska temperaturen vid vilken atomer skulle sluta röra sig.

I sina egna studier på nästan 20 år, Vuckovic har fokuserat på en aspekt av utmaningen:att skapa nya typer av kvantdatorchips som skulle bli byggstenarna i framtida system.

"För att fullt ut förverkliga löftet om kvantdatorer måste vi utveckla teknologier som kan fungera i normala miljöer, ", sa hon. "Materialen vi utforskar för oss närmare att hitta morgondagens kvantprocessor."

Utmaningen för Vuckovics team är att utveckla material som kan fånga en enda, isolerad elektron. Att arbeta med medarbetare över hela världen, de har nyligen testat tre olika förhållningssätt till problemet, varav en kan fungera i rumstemperatur – ett kritiskt steg om kvantberäkning ska bli ett praktiskt verktyg.

I alla tre fallen började gruppen med halvledarkristaller, material med ett vanligt atomgitter som balkarna på en skyskrapa. Genom att ändra detta galler något, de försökte skapa en struktur där atomkrafterna som utövas av materialet kunde begränsa en spinnande elektron.

"Vi försöker utveckla den grundläggande arbetsenheten för ett kvantchip, motsvarigheten till transistorn på ett kiselchip, sa Vuckovic.

Kvantprickar

Ett sätt att skapa denna laser-elektroninteraktionskammare är genom en struktur som kallas en kvantpunkt. Fysiskt, kvantpunkten är en liten mängd indiumarsenid inuti en kristall av galliumarsenid. Atomegenskaperna hos de två materialen är kända för att fånga en snurrande elektron.

I en ny artikel i Nature Physics, Kevin Fischer, en doktorand i Vuckovic-labbet, beskriver hur laser-elektronprocesserna kan utnyttjas inom en sådan kvantpunkt för att styra in- och utmatningen av ljus. Genom att skicka mer laserkraft till kvantpunkten, forskarna kunde tvinga den att avge exakt två fotoner i stället för en. De säger att kvantpunkten har praktiska fördelar jämfört med andra ledande kvantberäkningsplattformar men kräver fortfarande kryogen kylning, så det kanske inte är användbart för allmänt bruk. Dock, det kan ha tillämpningar för att skapa manipuleringssäkra kommunikationsnätverk.

Färg centrerar

I två andra tidningar tog Vuckovic ett annat tillvägagångssätt för elektroninfångning, genom att modifiera en enskild kristall för att fånga ljus i det som kallas ett färgcentrum.

I en nyligen publicerad tidning i Nanobokstäver , hennes team fokuserade på färgcentra i diamant. I naturen består det kristallina gittret av en diamant av kolatomer. Jingyuan Linda Zhang, en doktorand i Vuckovics labb, beskrev hur en forskargrupp med 16 medlemmar ersatte några av dessa kolatomer med kiselatomer. Denna ena ändring skapade färgcentra som effektivt fångade spinnande elektroner i diamantgittret.

Men som kvantpunkten, de flesta experiment med diamantfärgcentrum kräver kryogen kylning. Även om det är en förbättring jämfört med andra tillvägagångssätt som krävde ännu mer utarbetad kylning, Vuckovic ville göra det bättre.

Så hon arbetade med ett annat globalt team för att experimentera med ett tredje material, kiselkarbid. Allmänt känd som karborundum, kiselkarbid är en hård, transparent kristall som används för att göra kopplingsplattor, bromsbelägg och skottsäkra västar. Tidigare forskning hade visat att kiselkarbid kunde modifieras för att skapa färgcentra vid rumstemperatur. Men denna potential hade ännu inte gjorts tillräckligt effektiv för att ge ett kvantchip.

Vuckovics team slog ut vissa kiselatomer ur kiselkarbidgittret på ett sätt som skapade mycket effektiva färgcentra. De tillverkade också nanotrådsstrukturer runt färgcentra för att förbättra extraktion av fotoner. Radulaski var den första författaren till det experimentet, som beskrivs i en annan NanoLetters-tidning. Hon sa att nettoresultaten – ett effektivt färgcentrum, arbeta i rumstemperatur, i ett material som är bekant för industrin – var stora plus.

"Vi tror att vi har visat ett praktiskt tillvägagångssätt för att göra ett kvantchip, " sa Radulaski.

Men fältet är fortfarande i början och elektronavlyssning är ingen enkel bedrift. Även forskarna är inte säkra på vilken eller vilka metoder som kommer att vinna.

"Vi vet ännu inte vilket tillvägagångssätt som är bäst, så vi fortsätter att experimentera, sa Vuckovic.