Wetenschappers creëren qubits met behulp van precisie-instrumenten uit de nanotechnologie

Siliciumcarbide wordt een belangrijke speler op de kwantumscène. Siliciumcarbide wordt veel gebruikt in gespecialiseerde elektronicaproducten zoals LED’s en elektrische voertuigen en beschikt over veelzijdigheid, brede commerciële beschikbaarheid en een groeiend gebruik in krachtige elektronica, waardoor het een aantrekkelijk materiaal is voor de kwantuminformatiewetenschap, waarvan de impact naar verwachting diepgaand zal zijn.

Op basis van de natuurkunde op atomaire schaal zullen technologieën als kwantumcomputers, netwerken en sensoren de komende decennia waarschijnlijk een revolutie teweegbrengen op uiteenlopende gebieden als communicatie, medicijnontwikkeling en logistiek.

Nu hebben wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), de Sandia National Laboratories van DOE en partnerinstellingen een uitgebreid onderzoek uitgevoerd naar de creatie van qubits – de fundamentele eenheden van kwantuminformatieverwerking – in siliciumcarbide.

In een eerste onderzoek in zijn soort hebben de wetenschappers van Argonne en Sandia in de twee laboratoria de allernieuwste onderzoeksinstrumenten op nanoschaal gebruikt en met succes een methode gedemonstreerd voor het met extreme precisie implanteren van qubits in siliciumcarbide. Ze voerden ook state-of-the-art analyses uit over hoe siliciumcarbide op atomaire schaal reageert op de implantatie van de qubits.

Hun uiterst nauwkeurige onderzoeken stellen wetenschappers in staat kwantumapparaten beter te ontwikkelen voor specifieke doeleinden, of het nu gaat om het ontwerpen van ultraprecieze sensoren of het bouwen van een onhackbaar communicatienetwerk.

Het werk van de onderzoekers is gepubliceerd in het journaal Nanotechnologie.

“We kunnen de moleculaire dynamiek van het materiaal beter begrijpen dan de typische handzwaaiende uitleg die we gewend zijn”, zegt Argonne-wetenschapper Nazar Delegan, hoofdauteur van het artikel. “We hebben ook laten zien dat we ruimtelijk gelokaliseerde qubits kunnen creëren in dit zeer relevante materiaalsysteem, siliciumcarbide.”

Onderzoekers werken aan het perfectioneren van de creatie van qubits in siliciumcarbide. Deze qubits hebben de vorm van twee naast elkaar gelegen gaten, of gaten, ter grootte van een atoom in het siliciumcarbidekristal. Wetenschappers noemen dit paar atoomgaten een divacantie.

Het artikel van de groep beschrijft hoe ze gebruik maken van een proces dat is geperfectioneerd bij Sandia’s Center for Integrated Nanotechnologies (CINT) om de qubits te creëren. Met behulp van een van de nanoschaalmaterialen van CINT konden wetenschappers siliciumionen nauwkeurig in het siliciumcarbide implanteren. Bij dit proces worden atomen in het siliciumcarbide losgemaakt, waardoor er spanningen in het materiaal ontstaan.

Het proces stelt wetenschappers niet alleen in staat het exacte aantal atomen te specificeren dat in het siliciumcarbide moet worden geïnjecteerd, maar ook om de divacanties te positioneren met een nauwkeurigheid van ongeveer 25 nanometer. Een dergelijke precisie is cruciaal voor de integratie van kwantumtechnologieën in elektronische apparaten.

“Je hoeft niet op jacht te gaan om een ​​vacature op atomaire schaal te vinden in een groter stuk materiaal”, zegt Michael Titze, Sandia-wetenschapper en hoofd van de krant. “Door de gefocusseerde ionenbundel te gebruiken, kun je het atoom ergens plaatsen, en kan iemand anders de vacature vinden binnen een scan van 100 nanometer. We maken dit spul gemakkelijker te vinden en, bij uitbreiding, gemakkelijker te bestuderen en op te nemen in een praktisch technologisch platform.”

Na de nauwkeurige positionering van de qubits hebben wetenschappers van Argonne de siliciumcarbidemonsters uitgegloeid (of verwarmd) om de eigenschappen van de qubits te verbeteren en het siliciumcarbidekristal te stabiliseren.

Vervolgens heeft het team voor het eerst nauwkeurig in kaart gebracht hoe de divacanties zich in het kristal vormden en hoe de structuur op nanoschaal veranderde na het uitgloeiproces. Hun hulpmiddel voor deze karakterisering was Argonne’s krachtige Advanced Photon Source (APS), een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science.

De APS is een gigantische, ringvormige machine die groot genoeg is om een ​​sportstadion te omcirkelen. Het produceert zeer heldere röntgenstralen om diep in materialen te kijken.

Onderzoekers van Argonne’s Centre for Nanoscale Materials (CNM), ook een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science, gebruikten de speciale röntgenbundellijn van CNM bij de APS om de mobilisatie en creatie van divacancy-qubits in siliciumcarbide te bestuderen. Hoeveel vacatures ontstaan ​​er als je het aantal geïmplanteerde atomen aanpast? Wat gebeurt er als je de energie van het atoom aanpast? Welke invloed heeft de implantatie op de structuur van het siliciumcarbide?

“Deze onzuiverheden leiden tot verschillende kristalconfiguraties, wat tot spanning leidt”, zei Titze. “Hoe wordt de soort beïnvloed door deze verschillende defecten?”

Om dergelijke vragen te beantwoorden, richtte het team een ​​25 nanometer dunne röntgenbundel op siliciumcarbidemonsters.

“Je kunt het geïmplanteerde materiaal scannen en op elk punt kun je structurele informatie krijgen over wat er gebeurt,” zei Delegan. “Dus nu kun je op röntgenfoto’s naar deze schubben kijken. Je kunt zeggen: ‘Hoe gedroeg het kristal zich vóór, tijdens en na de implantatie?'”

Met behulp van de röntgenbundellijn van de CNM bij de APS kon de groep veranderingen in de nanoschaalstructuur van het siliciumcarbide in beeld brengen met een indrukwekkend hoge resolutie, waarbij veranderingen werden gedetecteerd met een snelheid van 1 deel per miljoen.

Door de precieze positionering van qubits met behulp van Sandia’s CINT-tool en de nauwkeurige beeldvorming van hun kristalomgeving met Argonne’s APS en CNM te combineren, zet het team een ​​belangrijke stap in de richting van de creatie van op maat gemaakte siliciumcarbide-qubits, die naar verwachting zullen leiden tot een grotere aanpasbaarheid voor kwantumtechnologie. toepassingen.

Hun werk draagt ​​ook bij aan het boek over siliciumcarbidequbits, waardoor de wetenschappelijke gemeenschap in staat wordt gesteld hun op siliciumcarbide gebaseerde kwantumapparaten op een doelbewuste manier te ontwikkelen en af ​​te stemmen.

“Dit werk maakt al deze kwantuminformatiewetenschappelijke toepassingen mogelijk waarbij je een heel specifiek ion wilt implanteren vanwege zijn nuttige kwantumeigenschappen”, zei Titze. “Je kunt deze kennis van de lokale spanning rond de defecten nu gebruiken om het zo te engineeren dat je bijvoorbeeld honderden defecten op één chip met elkaar kunt laten praten.”

Het werk van het team is een bewijs van interinstitutionele samenwerking.

“Wij bij CINT bieden de mogelijkheid voor nauwkeurige implantatie van atomen”, zei Titze. “En onze collega’s bij CNM en Q-NEXT bieden een unieke manier om ze daadwerkelijk vindbaar te maken wanneer ze ernaar moeten zoeken.”

De onderzoekers zullen de materialeninstrumenten op nanoschaal van de twee laboratoria blijven gebruiken om de dynamiek van het creëren van qubits in siliciumcarbide te karakteriseren.

“We konden de gevoeligheden van de tools aantonen”, zei Delegan. “En het leuke is dat we, met wat extra experimentele overwegingen, in staat zouden moeten zijn om met die waarden interessant gedrag te extraheren.”