เทคนิคใหม่ในการสร้างคิวบิตจากเออร์เบียม
โดย Meredith Fore มหาวิทยาลัยชิคาโก
เลเซอร์ที่ยิงใส่แผ่นไททาเนียมไดออกไซด์จะเปลี่ยนโครงสร้างของคริสตัลที่ตกกระทบ ซึ่งเป็นเทคนิคที่พัฒนาโดย memQ สตาร์ทอัพควอนตัม ซึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถออกแบบอุปกรณ์มัลติคิวบิตที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นได้ เครดิต: memQ
คิวบิตเป็นส่วนประกอบสำคัญของเทคโนโลยีควอนตัม และการค้นหาหรือสร้างคิวบิตที่มีความเสถียรและจัดการได้ง่ายเป็นหนึ่งในเป้าหมายหลักของการวิจัยเทคโนโลยีควอนตัม นักวิทยาศาสตร์พบว่าอะตอมของเออร์เบียม ซึ่งเป็นโลหะหายากที่บางครั้งใช้ในเลเซอร์หรือกระจกสี อาจเป็นควิบิตที่มีประสิทธิภาพมาก
ในการสร้างเออร์เบียมคิวบิต อะตอมของเออร์เบียมจะถูกวางไว้ใน "วัสดุโฮสต์" โดยที่อะตอมของเออร์เบียมจะเข้ามาแทนที่อะตอมดั้งเดิมของวัสดุบางส่วน กลุ่มวิจัยสองกลุ่ม - กลุ่มหนึ่งที่ memQ บริษัทสตาร์ทอัพควอนตัม ซึ่งเป็นพันธมิตรของบริษัท Chicago Quantum Exchange
และอีกกลุ่มหนึ่งที่ Argonne National Laboratory ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ซึ่งเป็นสมาชิกของ CQE ได้ใช้วัสดุโฮสต์ที่แตกต่างกันสำหรับเออร์เบียมเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมซึ่งแสดงให้เห็นถึงความอเนกประสงค์ของสิ่งนี้
ประเภทของควิบิตและเน้นย้ำถึงความสำคัญของวัสดุศาสตร์ต่อการคำนวณควอนตัมและการสื่อสารควอนตัม
ทั้งสองโครงการจัดการกับความท้าทายที่นักวิจัยคอมพิวเตอร์ควอนตัมพยายามแก้ไข: วิศวกรรมอุปกรณ์มัลติคิวบิต และการขยายระยะเวลาที่คิวบิตสามารถเก็บข้อมูลได้
F. Joseph Heremans นักวิทยาศาสตร์จาก Argonne ผู้เกี่ยวข้องกับทั้งสองโครงการกล่าวว่า "งานที่ความพยายามทั้งสองนี้ทำขึ้นได้เน้นย้ำให้เห็นถึงความสำคัญของวัสดุสำหรับเทคโนโลยีควอนตัม" “สภาพแวดล้อมที่ qubit อาศัยอยู่นั้นมีความสำคัญพอๆ กับตัว qubit เอง”
Startup memQ เลือกเปิดใช้งาน erbium qubits ทำให้ควบคุมอุปกรณ์หลาย qubit ได้ง่ายขึ้น
เออร์เบียมได้รับความนิยมในฐานะควิบิต เนื่องจากสามารถส่งข้อมูลควอนตัมได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านใยแก้วนำแสงชนิดเดียวกับที่ใช้ส่งสัญญาณอินเทอร์เน็ตและสายโทรศัพท์ อิเล็กตรอนของมันถูกจัดเรียงในลักษณะที่ทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมเป็นพิเศษซึ่งอาจทำให้ควิบิตสูญเสียข้อมูลได้
แต่กระบวนการเติบโตที่แทรกเออร์เบียมเข้าไปในวัสดุโฮสต์จะกระจายอะตอมไปทั่ววัสดุในลักษณะที่นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ ซึ่งทำให้ยากต่อการออกแบบอุปกรณ์หลายควอบิต ด้วยเทคนิคใหม่ทั้งหมด นักวิทยาศาสตร์ที่ memQ ได้ค้นพบวิธีแก้ปัญหา: "กระตุ้น" เฉพาะอะตอมเออร์เบียมบางอะตอมด้วยเลเซอร์
งานนี้ตีพิมพ์ในวารสารApplied Physics Letters
"เราไม่ได้วางเออร์เบียมไว้ในจุดเฉพาะเจาะจง แต่เออร์เบียมกระจัดกระจายไปทั่ววัสดุ" Sean Sullivan, CTO และผู้ร่วมก่อตั้ง memQ กล่าว ซึ่งสำเร็จการศึกษาจาก Duality ซึ่งเป็นบริษัทเร่งสตาร์ทอัพควอนตัมที่นำโดย Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation ที่มหาวิทยาลัยชิคาโกและ CQE พร้อมด้วยพันธมิตรผู้ก่อตั้ง University of Illinois Urbana-Champaign, Argonne และ P33
“แต่ด้วยการใช้เลเซอร์ เราสามารถเปลี่ยนโครงสร้างผลึกในพื้นที่ใดพื้นที่หนึ่ง และนั่นทำให้คุณสมบัติของเออร์เบียมในพื้นที่นั้นเปลี่ยนแปลงไป ดังนั้นเราจึงเลือกเออร์เบียมที่จะใช้เป็นคิวบิต”
เทคนิคนี้อาศัยคุณสมบัติของวัสดุโฮสต์ ซึ่งได้แก่ ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO 2 ) เนื่องจากมีความสมมาตร โครงผลึกของ TiO 2จึงมีรูปแบบที่เป็นไปได้สองแบบ อะตอมของเออร์เบียมที่ใส่เข้าไปในโครงตาข่ายจะสื่อสารด้วยความถี่ที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าของ TiO 2ที่อะตอมนั้นตั้งอยู่
ในเทคนิคของ memQ เออร์เบียมจะกระจัดกระจายไปทั่วแผ่นฟิล์มของ TiO 2ซึ่งอยู่ในรูปแบบเดียวกัน จากนั้น เลเซอร์กำลังสูงจะโฟกัสไปที่คริสตัลรอบๆ อะตอมของเออร์เบียม ซึ่งจะทำให้ TiO 2 บิดเบี้ยวอย่างถาวร ไปเป็นรูปแบบอื่นๆ ในตำแหน่งเหล่านั้นเท่านั้น ตอนนี้อะตอมของเออร์เบียมที่เลือกโดยเลเซอร์สามารถสื่อสารด้วยความถี่เดียวกัน โดยแยกออกจากอะตอมอื่นๆ ทั้งหมด
ขั้นตอนใหม่นี้แสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าที่สำคัญในด้านเทคโนโลยีควอนตัม ซึ่งเรียกว่าเทคโนโลยีโซลิดสเตต
"คุณไม่สามารถใช้ qubit ในสถานที่สุ่ม 100 แห่งเพื่อสร้างสิ่งที่มีประโยชน์ได้" Manish Singh ซีอีโอและผู้ร่วมก่อตั้ง memQ กล่าว "ด้วยแพลตฟอร์มของเรา เราสามารถเลือกเออร์เบียมที่เราต้องการใช้ในเค้าโครงที่เราต้องการใช้ ซึ่งเป็นความสามารถที่หลบเลี่ยงชุมชนโซลิดสเตตมาเป็นเวลานาน"
นักวิทยาศาสตร์ชาวอาร์กอนน์ประสบความสำเร็จในการเชื่อมโยงเออร์เบียมควิบิตเป็นเวลานาน
การวัดประสิทธิภาพของ qubit ที่สำคัญคือระยะเวลาในการเชื่อมโยงกัน ซึ่งเป็นระยะเวลาที่สามารถเก็บข้อมูลควอนตัมได้ นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับคิวบิตที่ใช้เป็นหน่วยความจำควอนตัม ซึ่งเทียบเท่ากับหน่วยความจำคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกในควอนตัม แต่การเชื่อมโยงกันนั้นเปราะบางมาก ควิบิตอาจสูญเสียการเชื่อมโยงกันจากการโต้ตอบกับบางสิ่งในสภาพแวดล้อม เช่น อากาศหรือความร้อน
อะตอมของเออร์เบียมสามารถเก็บข้อมูลควอนตัมได้โดยใช้อิเล็กตรอน ซึ่งมีคุณสมบัติที่เรียกว่า "สปิน" นิวเคลียสซึ่งเป็นกระจุกของโปรตอนและนิวตรอนที่อยู่ใจกลางอะตอมก็มี "สปิน" เช่นกัน และการหมุนของอิเล็กตรอนและนิวเคลียสสามารถมีอิทธิพลต่อกันและกัน วิธีทั่วไปที่เออร์เบียมควิบิตจะสูญเสียข้อมูลควอนตัมคือถ้าการหมุนของอิเล็กตรอนมีปฏิกิริยากับการหมุนของนิวเคลียร์จากอะตอมตัวใดตัวหนึ่งที่อยู่รอบๆ ตัวมัน
ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจาก Argonne Jiefei Zhang จึงค้นหาวัสดุโฮสต์สำหรับเออร์เบียมซึ่งมีการหมุนของนิวเคลียร์ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แต่ก็สามารถประดิษฐ์ขึ้นด้วยเทคโนโลยีซิลิคอนแบบเดิมๆ ได้เช่นกัน เธอพบมันด้วยออกไซด์ที่แตกต่างออกไป ซึ่งคราวนี้เป็นธาตุหายาก: ซีเรียมไดออกไซด์หรือที่เรียกว่าซีเรีย (CeO 2 )
ซีเรียมเป็นธาตุหายากที่มีมากที่สุด และใช้เป็นสารออกซิไดซ์และตัวเร่งปฏิกิริยาในเคมีอุตสาหกรรม ต่างจาก TiO 2ซึ่งมีโครงสร้างที่เป็นไปได้หลายรูปแบบ CeO 2มีเพียงรูปแบบเดียวและมีความสมมาตรอย่างยิ่ง ด้วยเหตุนี้เออร์เบียมคิวบิตใน CeO 2จึงมีเสถียรภาพมากกว่า
“เออร์เบียมคิวบิตที่แตกต่างกันสองชนิดในซีเรียจะเห็นสภาพแวดล้อมของผลึกเดียวกัน” จางกล่าว “และดังนั้นจึงเป็นเรื่องง่ายมากที่จะควบคุมพวกมันไปพร้อม ๆ กัน เพราะว่าพวกมันจะมีพฤติกรรมคล้ายกันมาก”
น่าสังเกตที่เทคนิคการแปลตำแหน่งแบบใหม่ที่พัฒนาโดย memQ ไม่สามารถทำได้ด้วยโครงสร้างผลึกที่มีความสมมาตรสูงเช่น CeO 2แต่ Zhang สามารถมองเห็นเวลาการเชื่อมโยงกันที่นานขึ้นจากเออร์เบียมคิวบิต โดยที่มีศักยภาพนานกว่านั้นเมื่อพวกเขายังคงพัฒนาการทดลองต่อไป งานนี้สามารถพบได้บนเซิร์ฟเวอร์การพิมพ์ล่วงหน้าarXiv
“วัสดุแต่ละชนิดมีข้อดีและข้อเสียอย่างแน่นอน และนั่นเป็นเรื่องธรรมดามากในควอนตัม” จางกล่าว
ข้อมูลเพิ่มเติม: Sean E. Sullivan และคณะ การแปลแบบกึ่งกำหนดตำแหน่งของตัวปล่อย Er ในฟิล์มบาง TiO 2ผ่านการควบคุมเฟสผลึกระดับต่ำกว่าไมครอน, Applied Physics Letters (2023) ดอย: 10.1063/5.0176610
Jiefei Zhang และคณะ การเชื่อมโยงกันของแสงและการหมุนของ Er 3+ใน epitaxial CeO 2บนซิลิคอนarXiv (2023) ดอย: 10.48550/arxiv.2309.16785
ข้อมูลวารสาร: arXiv , จดหมายฟิสิกส์ประยุกต์
ivito ของ Dracula: ดิสก์ก่อกำเนิดดาวเคราะห์ดวงใหม่ค้นพบด้วย Pan-STARRS
6 ชั่วโมงที่แล้วมต้องการที่ความยาวคลื่นโทรคมนาคม
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
