Nieuw materiaal kan de sleutel zijn tot het oplossen van het probleem met kwantumcomputers

Volgens een internationaal team van onderzoekers kan een nieuwe vorm van heterostructuur van gelaagde tweedimensionale (2D) materialen kwantumcomputing in staat stellen de belangrijkste belemmeringen voor de wijdverbreide toepassing ervan te overwinnen.

De onderzoekers werden geleid door een team dat deel uitmaakt van het Penn State Center for Nanoscale Science (CNS), een van de 19 Materials Research Science and Engineering Centers (MRSEC) in de Verenigde Staten, gefinancierd door de National Science Foundation. Hun werk werd op 13 februari gepubliceerd Natuur materialen.

Een gewone computer bestaat uit miljarden transistors, ook wel bits genoemd, en wordt bestuurd door binaire code (“0” = uit en “1” = aan). Een quantumbit, ook wel qubit genoemd, is gebaseerd op kwantummechanica en kan tegelijkertijd zowel een “0” als een “1” zijn. Dit staat bekend als superpositie en kan kwantumcomputers in staat stellen krachtiger te zijn dan de reguliere, klassieke computers.

Er is echter een probleem met het bouwen van een kwantumcomputer.

“IBM, Google en anderen proberen kwantumcomputers te maken en op te schalen op basis van supergeleidende qubits”, zegt Jun Zhu, hoogleraar natuurkunde aan Penn State en corresponderende auteur van het onderzoek. “Hoe het negatieve effect van een klassieke omgeving, die fouten veroorzaakt in de werking van een kwantumcomputer, kan worden geminimaliseerd, is een belangrijk probleem bij kwantumcomputing.”

Een oplossing voor dit probleem kan worden gevonden in een exotische versie van een qubit, een zogenaamde topologische qubit.

“Qubits gebaseerd op topologische supergeleiders zullen naar verwachting worden beschermd door het topologische aspect van de supergeleiding en daarom robuuster zijn tegen de destructieve effecten van de omgeving,” zei Zhu.

Een topologische qubit heeft betrekking op topologie in de wiskunde, waarbij een structuur fysieke veranderingen ondergaat, zoals gebogen of uitgerekt, en nog steeds de eigenschappen van zijn oorspronkelijke vorm behoudt. Het is een theoretisch type qubit en is nog niet gerealiseerd, maar het basisidee is dat de topologische eigenschappen van bepaalde materialen de kwantumtoestand kunnen beschermen tegen verstoring door de klassieke omgeving.

Er is momenteel veel aandacht voor topologische kwantumcomputing, volgens Cequn Li, afgestudeerde student natuurkunde en eerste auteur van de studie.

“Quantumcomputing is een zeer actueel onderwerp en mensen denken na over hoe ze een quantumcomputer kunnen bouwen met minder fouten in de berekening”, zei Li. “Een topologische kwantumcomputer is een aantrekkelijke manier om dat te doen. Maar een sleutel tot topologische kwantumcomputing is het ontwikkelen van de juiste materialen ervoor.”

De onderzoekers van het onderzoek hebben een stap in deze richting gezet door een soort gelaagd materiaal te ontwikkelen dat een heterostructuur wordt genoemd. De heterostructuur in de studie bestaat uit een laag van een topologisch isolatiemateriaal, bismutantimoontelluride of (Bi,Sb)₂Te₃en een supergeleidende materiaallaag, gallium.

“We hebben een speciale meettechniek ontwikkeld om de nabijheidsgeïnduceerde supergeleiding aan het oppervlak van de (Bi,Sb)₂Te₃ film, “zei Zhu. “De door nabijheid veroorzaakte supergeleiding is een sleutelmechanisme om een ​​topologische supergeleider te realiseren. Ons werk toonde aan dat het inderdaad voorkomt aan het oppervlak van de (Bi,Sb)₂Te₃ film. Dit is een eerste stap op weg naar de realisatie van een topologische supergeleider.”

Een dergelijke topologische isolator/supergeleider heterostructuur is echter moeilijk te creëren.

“Het is meestal niet gemakkelijk omdat verschillende materialen verschillende roosterstructuren hebben,” zei Li. “Bovendien, als je twee materialen samenvoegt, kunnen ze chemisch met elkaar reageren en krijg je een rommelige interface.”

Daarom gebruiken de onderzoekers een synthesetechniek die bekend staat als opsluiting heteropitaxie, die wordt onderzocht bij MRSEC. Dit omvat het inbrengen van een laag epitaxiaal grafeen, een laag koolstofatomen van één of twee atomen dik, tussen de galliumlaag en de (Bi,Sb)₂Te₃ laag. Li merkt op dat dit de lagen in staat stelt om samen te werken en te combineren, zoals legoblokken aan elkaar klikken.

“Het grafeen scheidt deze twee materialen en fungeert als een chemische barrière,” zei Li. “Dus er is geen reactie tussen hen, en we eindigen met een erg mooie interface.”

Bovendien toonden de onderzoekers aan dat deze techniek schaalbaar is op waferniveau, wat het een aantrekkelijke optie zou maken voor toekomstige quantumcomputing. Een wafer is een rond schijfje halfgeleidermateriaal dat dient als substraat voor micro-elektronica.

“Onze heterostructuur heeft alle elementen voor een topologische supergeleider, maar misschien nog belangrijker, het is een dunne film en potentieel schaalbaar,” zei Li. “Dus een dunne film op waferschaal heeft een groot potentieel voor toekomstige toepassingen, zoals het bouwen van een topologische kwantumcomputer.”

Dit onderzoek was een gecombineerde inspanning van het IRG1-2D Polar Metals and Heterostructures-team van het CNS, geleid door Zhu en Joshua Robinson, professor materiaalkunde en engineering aan Penn State. Andere faculteiten die bij het onderzoek betrokken zijn, zijn Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr Early Career Professor en universitair hoofddocent natuurkunde, en Danielle Reifsnyder Hickey, assistent-professor scheikunde en materiaalkunde en -techniek.

“Dit was opmerkelijk teamwerk door het IRG1-team van onze MRSEC,” zei Zhu. “De Robinson-groep kweekte de galliumfilm met twee atoomlagen met behulp van hetero-epitaxy opsluiting, de Chang-groep kweekte de topologische isolatorfilm met behulp van moleculaire bundelepitaxie, en de Reifsnyder Hickey-groep en het personeel van het Materials Research Institute voerden karakterisering op atomaire schaal uit van de heterostructuur en apparaten.”

De volgende stap is om het proces te perfectioneren en een nog volgende stap te zetten om een ​​topologische kwantumcomputer te realiseren.

“Het materiaal is de sleutel, dus onze medewerkers proberen het materiaal te verbeteren,” zei Li. “Dit betekent betere uniformiteit en hogere kwaliteit. En onze groep probeert meer geavanceerde apparaten te maken op dit soort heterostructuren om de handtekeningen van topologische supergeleiding te onderzoeken.”