Atomair dunne transducers zouden op een dag quantum computing bij kamertemperatuur mogelijk kunnen maken

Quantumcomputers moeten koud worden gehouden om te functioneren, heel koud. Deze machines werken over het algemeen op “slechts een paar graden boven het absolute nulpunt”, zegt Yoseob Yoon, assistent-professor werktuigbouwkunde en industriële techniek aan de Northeastern University. “Het is kouder dan in de ruimte.”

Yoon’s onderzoek richt zich op “het beheersen van materiaaleigenschappen met behulp van lasers”, zegt hij.

Met andere woorden: hij schiet licht op atomair dunne materialen om ze op nieuwe manieren te laten bewegen.

Een van zijn belangrijkste materialen is grafeen, een tweedimensionaal oppervlak waarvan de ontdekkers in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde ontvingen, zegt Yoon.

Yoon produceert grafeen via wat hij de Scotch Tape-methode noemt. “Ik heb een paar millimeter brede en dikke bulkmaterialen van bijvoorbeeld grafiet,” zegt hij, hetzelfde koolstofderivaat dat in potloden zit. “Ik gebruik in principe Scotch Tape—letterlijk—en dan pel ik” ultradunne monsters van het bulkmateriaal.

Deze monsters hebben de dikte van een enkel atoom, “zonder enige ruwheid”, zegt hij.

Er bestond al een vakgebied dat “thermisch transport met behulp van dunne metaalfilms” bestudeerde, zegt Yoon. Door lasers op zeer dunne metalen af ​​te vuren, kunnen onderzoekers gecontroleerde oscillaties opwekken, zoals akoestische golven in drums.

“Dit is echter beperkt gebleven tot gigahertz-regimes, omdat deze metalen erg zwaar zijn en niet tot op de dikte van een monolaag kunnen worden gecontroleerd.

“En dan is er nog een ander veld, in principe een 2D-materiaalveld,” vervolgt hij. “Ze exfoliëren deze atomair dunne lagen.”

Yoon’s doorbraak kwam door deze twee vakgebieden te combineren. Door atomair dunne structuren te koppelen aan de studie van lasergebaseerd thermisch transport, “is er een nieuw regime dat we eerder niet konden bereiken.”

Nu in een krant gepubliceerd in NatuurYoon en zijn medewerkers hebben nieuwe van der Waals-heterostructuren geïdentificeerd (gemaakt door het combineren van lagen van deze atomair dunne materialen, waaronder grafeen en andere varianten) die controle op terahertz-frequenties mogelijk maken.

Dit is wat dat betekent. Yoon merkt op dat “temperatuur” eigenlijk gewoon bewegende moleculen zijn. Hoe sneller de moleculen bewegen, hoe hoger de temperatuur. In een quantumcomputer vertaalt deze beweging zich in willekeurige ruis, wat de werking van de computer belemmert. Superkoeling van een quantumcomputer verhoogt daarom de efficiëntie.

Huidige transistoren in quantumcomputers zijn beperkt tot het gigahertzbereik. “Dat beperkt het bereik van temperaturen dat kan worden bediend,” zegt Yoon. “Ze kunnen alleen bij lage temperaturen werken.” Kouder dan de ruimte, vergeet dat niet.

“Vanwege deze frequentielimiet”, vervolgt hij, terwijl hij het bereik van deze transistoren vergroot tot terahertz-frequenties – een toename met een factor duizend – “zullen we in staat zijn om [quantum computers] bij kamertemperatuur.”

Met andere woorden: een machine die bij een temperatuur van bijna -460 graden Fahrenheit draait, kan plotseling op kamertemperatuur draaien.

In ieder geval dit specifieke onderdeel, wijst Yoon er snel op. “Er zijn enkele nadelen aan het gaan naar hogere temperaturen, [for instance,] “Kwantumsignalen zullen veel sneller vervallen.”

Dit is dus niet de ultieme oplossing voor quantumcomputing bij kamertemperatuur, maar het is wel een belangrijke stap in de richting van dat doel.

Wat volgt? “We hebben gepusht in termen van frequentiebandbreedte en hoe hoog de frequentie kan zijn,” zegt hij. “Maar we hebben niet tot de amplitudelimieten gepusht.”

“Wij willen de grenzen verleggen.”