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新技术可以使钻石的量子计算机受益

时间:2021-10-21 15:55:05 来源:

在一个新出版的研究中,来自哈佛大学,桑迪亚国家实验室和麻省理工学院的研究人员揭示了一种在钻石材料中创造有针对性缺陷的新技术。定位量子位的新过程比其前辈更简单,更精确,并且可以使基于钻石的量子计算设备受益。

量子计算机是在一些计算问题上提供大量加速的实验装置。建立它们的一个有希望的方法涉及利用金刚石材料中的纳米尺度原子缺陷。

但是,实用的,基于钻石的量子计算装置需要能够在复杂的菱形结构中将这些缺陷定位在精确的位置,其中缺陷可以用作QUBITS,量子计算中的基本信息单位。在今天的自然通信中,来自麻省理工学院,哈佛大学和桑迪亚国家实验室的研究人员举办了一种创造有针对性缺陷的新技术,这比其前辈更简单,更精确。

在实验中,通过该技术产生的缺陷平均在其理想位置的50纳米内。

“量子信息处理中的梦想场景是使光学电路用于梭式光子Qubits,然后在任何需要它的情况下定位量子存储器,”电气工程师和计算机科学副教授Dirk Englund说,这是MIT团队的副教授。“我们几乎在那里了。这些发射者几乎完美无缺。“

新论文有15名共同作者。七是来自麻省理工学院,包括Englund和第一个作者TimSchröder,在该工作完成的情况下,在Englund的实验室中是一个邮政编码,现在是哥本哈根大学尼尔斯·博恩研究所的助理教授。爱德华毕勒集团带领桑迪亚队,物理学教授米哈伊尔·卢辛带领哈佛大队。

吸引人的缺陷

量子计算机仍然在很大程度上假设,利用量子“叠加”的现象或小颗粒同时挪用矛盾的身体状态的反向能力。例如,可以将电子置于同时在多个位置处,或者具有两个相对的磁取向。

其中传统计算机中的一位可以表示零或一个,“qubit”或量子位,可以同时表示零,一个或两个。这是Qubits队列的能力,在某种意义上,同时探索多种解决方案的问题,这是一种承诺计算加速的问题。

钻石缺陷Qubits由“空缺”的组合导致,其中位于钻石的晶格中的位置,其中应该有一个碳原子,但没有一个和“掺杂剂”,它是除碳之外的材料的原子发现他们进入格子。掺杂剂和空缺在一起创造了一个掺杂剂空位“中心”,其具有与其相关的自由电子。电子的磁取向或“旋转”,或“旋转”,其可以是叠加,构成Qubit。

Quantum计算机设计中的多年生问题是如何从Qubits中读取信息。钻石缺陷呈现简单的解决方案,因为它们是天然光发射器。实际上,钻石缺陷发出的光颗粒可以保留QUBITS的叠加,因此它们可以在量子计算设备之间移动量子信息。

硅片开关

最习惯的钻石缺陷是氮空缺中心,可以保持比任何其他候选量子比较长的叠加。但它在相对广泛的频谱中发光,这可能导致量子计算依赖的测量中的不准确性。

在他们的新论文中,麻省理工学院,哈佛大学和桑迪亚研究人员使用硅空位中心,在非常窄的频段中发光。他们也不保持叠加,但理论表明,将它们降低到Millikelvin范围内的温度 - 高于绝对零的程度 - 可以解决这个问题。(氮气空置中心QUBITS需要冷却到相对BALMY 4个厄尔韦。)

然而,要读取,必须放大来自发光Qubits的信号,并且必须引导它们并重新组合它们以执行计算。这就是为什么精确定位缺陷的能力很重要:将光电路蚀刻到钻石中更容易,然后在右侧的位置插入缺陷,而不是随机创建缺陷,然后尝试构建周围的光电路。

在新论文中描述的过程中,麻省理工学院和哈佛大学研究人员首先刨了合成金刚石,直至其厚度为200纳米。然后将光学腔蚀刻到金刚石表面中。这些增加了缺陷发出的光的亮度(同时缩短发光时间)。

然后他们将钻石送到桑迪亚团队,他们定制了一种称为纳米植入机的商业设备以喷射硅离子的流。桑迪亚研究人员将20至30个硅离子射到钻石中的每个光学腔中,并将其送回剑桥。

移动职位空缺

此时,只有约2%的腔有相关的硅空位中心。但麻省理工学院和哈佛大学研究人员还开发了用电子束爆破钻石的过程,以产生更多空位,然后将钻石加热至约1,000摄氏度,这导致空位在晶格周围移动,因此它们可以与硅粘合原子。

在研究人员对这两种过程中对钻石进行了后,产量增加了十倍,达到20%。原则上,进一步的过程的重复应该增加硅空位中心的产量。

当研究人员分析硅空位中心的位置时,他们发现它们在腔边缘处的最佳位置在约50纳米。转化为发射的光线,明显的光线约为85至90%,因为它可能是非常好的。

“这是一个出色的结果,”斯坦福大学电气工程教授Jelena Vuckovic说,南京福德和量子光学学士。“我希望该技术可以提高超过50纳米,因为50纳米的未对准会降低光质相互作用的强度。但这是沿这种方向的重要一步。50纳米的精确度肯定不会控制所有控制位置,这就是我们通常在这些实验中做的,我们从随机定位的发射器开始,然后制作谐振器。“

出版物:TimSchröder等,“可扩展的聚焦离子束在钻石纳米结构中创建几乎终身限制的单量子发射器,”自然通信8,物品编号:15376(2017)DOI:10.1038 / NCOMMS15376


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