211service.com
Kvantsprång
Ett internationellt team av forskare har visat att det kan kontrollera kvanttillståndet för en enstaka elektron i en kiseltransistor – till och med att placera elektronen på två ställen samtidigt. Deras upptäckt kan hjälpa till att bana väg mot en praktisk kvantdator.
Stängselvakt: En datormodell visar en arsenikatom med en elektron som är i två distinkta kvanttillstånd samtidigt. Ett internationellt team av forskare bekräftade experimentellt modellens förutsägelser.
Kvantdatorer utnyttjar subatomära partiklars konstiga egenskaper för att utföra vissa typer av beräkningar mycket snabbare än vad klassiska datorer kan. Forskare utforskar en mängd olika metoder för kvantberäkning, och några har till och med byggt primitiva kvantkretsar som kan utföra beräkningar. Men praktisk kvantberäkning skulle kräva förmågan att tillverka enheter med miljontals kvantkretsar – snarare än de 12 eller 16 som kan uppnås nu – som kan integreras med mer konventionell elektronik.
Ett teoretiskt tillvägagångssätt för praktisk kvantelektronik är att använda konventionell elektronik - små halvledartransistorer - för att kontrollera tillståndet i ett kvantsystem. Forskare under ledning av Sven Rogge , en forskare vid Delft University of Technology, i Nederländerna, utförde de första praktiska experimenten för att verifiera metodens teoretiska förutsägelser. Teamet – som även inkluderade forskare från Purdue University ; de University of Melbourne , i Australien; och IMEC , i Belgien – fann att den kunde kontrollera kvanttillståndet för en enskild elektron helt enkelt genom att ändra spänningen som appliceras på en transistor. Detta representerar ett bra steg mot framtida enheter där prestanda bestäms av manipulering av kvanttillstånd för enskilda atomer, säger Thomas Schenkel, forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory .
Forskarna använde prefabricerade transistorer byggda för nanoteknisk forskning, som var och en bestod av två korsade nanotrådar av kisel. En av nanotrådarna – den nedersta – var kopplad till elektroder som innehöll arsenik. När den tråden laddades drog den ibland in arsenikatomer i transistorn. Efter att ha applicerat en spänning över cirka 100 transistorer fann teamet sex som verkade ha individuella arsenikatomer inbäddade i nanotråden. De fann då att en variation av spänningen över den övre ledningen skulle styra kvanttillståndet för en av atomens elektroner. Med hjälp av en avbildningsteknik som kallas scanning tunneling spectroscopy, kunde de särskilja tre tillstånd av atomerna i alla sex enheter. Ett av dessa tillstånd motsvarade att elektronen fanns på två ställen samtidigt - en egenskap som är nödvändig för kvantberäkning.
Men för att förstå en atoms beteende måste man modellera miljoner, säger Rogge. Så han och hans kollegor använde ett off-the-shelf-program som heter NEMO 3D att karakterisera ett storskaligt system som innehåller 1,4 miljoner atomer. De fann att mätningarna av deras modellsystem stämde väl överens med spektroskopiresultaten. Det är verkligen häftigt att se hur väl deras simuleringar kan beskriva slumpmässigt dopade transistorer, som alla är olika i detalj, säger Schenkel.
Ändrade tillstånd: När det elektriska fältet som induceras av en nanotråd av kisel (grå) ökar, flyttar en elektron i en arsenikatom från sitt grundtillstånd (vänster) till ett exciterat tillstånd (höger). Under denna övergång går elektronen in i ett hybridiserat tillstånd (mitten) där den är i båda de andra tillstånden samtidigt. I teorin skulle en sådan elektron kunna fungera som en qubit i en kvantdator.
Beroende på styrkan på det elektriska fältet som skapas av den översta nanotråden, kan en elektron hittas i ett av tre tillstånd. Vid låga elektriska fält förblev elektronen bunden till arsenikatomen. Vid höga elektriska fält drogs elektronen bort från atomen. Men när det elektriska fältet var på precis rätt nivå, skulle elektronen vara på båda ställena samtidigt.
För att en kvantdator ska fungera måste dess qubits – kvantekvivalenten till en klassisk dators bitar – vara intrasslad: deras kvanttillstånd måste kopplas ihop med varandra. Att dra en elektron bort från sin atom kan vara ett intressant sätt att koppla ihop intilliggande qubits, säger Schenkel.
Även om detta resultat är ett viktigt resultat, är den verkliga utmaningen för att tillverka framtida enkeldopande enheter att ta reda på hur man placerar [arsenikatomerna] i kiselvärden med den precision som krävs, säger Bruce Kane , en forskare vid University of Maryland. Forskarna hittade sina sex enheter av en slump; för att producera arbetskretsar skulle de behöva kunna placera atomer av arsenik – eller något annat material – i transistorerna mer tillförlitligt.
Medan forskarna så småningom hoppas kunna kontrollera atomernas position i transistorn, är vårt nästa steg att lägga till en andra elektron och se vad som händer med konfigurationen av elektrontillståndet, säger Gabri Lansbergen, en annan Delft-forskare. I en lång framtid, tillägger Rogge, skulle vi vilja experimentera med flera [material] och se hur de interagerar.