Ang Mga Ion Beams na Bumubuo ng Mga Chain ng Malapit na Naitugmang Qubits

Ang mga Ion beam ay maaaring bumuo ng mga tanikala ng malapit na naka-link na mga kabuuan na bit (qubits) batay sa “mga color center” na kulay ng nitrogen-space sa brilyante para magamit sa hardware ng pag-compute ng kabuuan. Ipinapakita ng pattern ng pulot-pukyutan sa larawan ang pagkakaiba sa pagitan ng mga lugar na nakalantad sa sinag (mas madidilim) at mga lugar na nakamaskara. Ipinapakita ng mga resulta na dapat posible upang lumikha ng isang walang kapantay na bilang at density ng 10,000 pares ng qubit, tungkol sa lapad ng isang buhok ng tao. Kredito: Susan Brand / Berkeley Lab)

Ang isang bagong paraan ng paglikha ng self-aligning na ‘mga color center’ ay nangangako ng kakayahang sumukat ng higit sa 10,000 mga qubit para sa mga aplikasyon sa sensum ng senswal at computing ng kabuuan.

Ang pagtupad sa napakalaking pangako ng computing ng kabuuan ay nangangailangan ng mga bagong pagpapaunlad sa lahat ng mga antas, kabilang ang mismong hardware ng computing. Isang pangkat ng pagsasaliksik sa internasyonal, na pinangunahan ng Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ay natuklasan ang isang paraan upang magamit ang mga ion beam upang lumikha ng mahabang “color center” na mga string ng qubit sa brilyante. Ang kanyang trabaho ay detalyado sa journal. Inilapat na Mga Sulat sa Physics.

Ang mga may-akda ay nagsasama ng maraming tao mula sa Berkeley Lab: Arun Persaud, na namuno sa pag-aaral, at Thomas Schenkel, pinuno ng Fusion Science and Ion Beam Technology Program ng Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) Division, at Casey Christian Division of Physics , kasalukuyang kasama ang Berkeley Lab’s), ang Berkeley Lab’s Molecular Foundry na si Edward Barnard at miyembro ng ATAP na si Russell E. Lake.

Ang paglikha ng malalaking bilang ng mga de-kalidad na mga kwantum bits (qubits) sa malapit na distansya upang mag-link magkasama ay isa sa mga pinakamalaking hamon ng computing ng kabuuan. Nakikipagtulungan sa mga kasamahan sa buong mundo, ang koponan ay tuklasin ang paggamit ng mga ion beam upang lumikha ng mga artipisyal na mga sentro ng kulay sa mga brilyante para magamit bilang qubits.

Ang mga color center ay mga mikroskopiko na pagkukulang – paglihis mula sa maselan na istraktura ng sala-sala ng isang mala-brilyong kristal. Ang isang uri ng depekto ng partikular na interes sa qubits ay nitrogen. atomo brilyante sa tabi ng isang walang bisa o walang laman na puwang sa isang hawla. (Nitrogen ay karaniwang matatagpuan sa kristal lattice ng brilyante, na kung saan ay isang mala-kristal na anyo ng carbon at nag-aambag sa kulay ng bato.)

Ang mga sentro ng walang bisa na nitrogen ay maaaring mabuo sa brilyong brilyante kapag nasasabik sa mabilis na akumulasyon ng enerhiya ng isang dumadaan na ion. Ang electron at nukleyar na pag-ikot ng mga sentro ng puwang ng nitrogen at mga katabing carbon atoms ay maaaring gumana bilang mga solidong estado na qubit, at ang kristal na sala-sala ay maaaring makatulong na mapanatili ang kanilang pagkakapare-pareho at kapwa pagkagambala.

Paniwala ni Arun

Ang kawani ng ATAP Division ay siyentista na si Arun Persaud, na siyang nangungunang investigator ng pagsisikap na ito. Kredito: Marilyn Sargent / Berkeley Laboratory

Ang resulta ay isang matibay na pisikal na sistema na hindi kailangang gamitin sa isang cryogenic environment; ito ay mga kaakit-akit na pag-aari para sa mga sensor ng kabuuan at qubit sa naturang solidong computing ng kabuuan ng estado. Gayunpaman, ang paggawa ng sapat na qubits at pagpapalapit nang sapat sa mga ito ay isang hamon.

Kapag mabilis (mataas na enerhiya) mabibigat na mga ions tulad ng mga ray na ginamit ng pangkat na ito – mga gintong ions na may lakas na gumagalaw na halos isang bilyong electron volts – dumaan sa isang materyal na brilyante na nitrogen-doped, iniiwan nila ang isang bakas ng nitrogen gap. nasa gitna ng mga track Napag-alaman na ang mga color center ay nabuo nang direkta, nang hindi nangangailangan ng karagdagang pagsusubo (paggamot sa init). Bukod dito, nabuo ito hindi lamang sa dulo ng saklaw ng ion, tulad ng inaasahan mula sa nakaraang trabaho na may mas mababang mga ion ng enerhiya, ngunit kasama ang buong bakas ng ion. Sa mga tuwid na “percolation chain” na ito, ang mga color center qubit ay nakahanay sa distansya ng sampu-sampung microns at ilang mga nanometro lamang ang layo mula sa kanilang mga kalapit na kapitbahay. Ang isang diskarteng binuo ng Moleleykular na Foundry ng Berkeley Lab ay sumukat sa mga sentro ng kulay na may malalim na resolusyon.

Ang gawain sa hindi balanseng pagbubuo ng qubit ay suportado ng Science Office ng Ministry of Energy. Ang susunod na hakbang ng pagsasaliksik ay ang pisikal na gupitin ang isang string ng mga color center na ito – katulad ng isang string ng kuwintas sa isang string – at ipakita na talagang malapit na maiugnay ang mga ito at maaaring magamit bilang mga record ng kabuuan.

Ang mga resulta na na-publish sa artikulong ito ay nagpapakita na posible na lumikha ng mga tala ng kabuuan sa layo na halos 50 microns sa distansya na halos 10,000 na konektadong qubits (dalawang beses na mas malaki kaysa sa nakakamit sa pantulong na teknolohiya ng mga ion trap qubits). (tungkol sa lapad ng isang buhok ng tao).

“Ang mga pakikipag-ugnayan ng mabilis na mabibigat na mga ions na may mga materyales ay pinag-aralan ng mga dekada para sa iba’t ibang mga layunin, kabilang ang pag-uugali ng mga materyales nukleyar at mga epekto ng cosmic ray sa electronics,” sabi ni Schenkel.

Idinagdag pa niya na ang mga mananaliksik sa buong mundo ay sumusubok na gumawa ng mga materyal na kabuuan sa pamamagitan ng artipisyal na pagpukaw sa mga sentro ng kulay sa mga brilyante. “Ang mga solidong estado na diskarte sa scale ng hardware ng kabuuan ng computing ay maayos, ngunit ang pagsasama ay naging isang hamon. Ito ang kauna-unahang pagkakataon na ang pagbuo ng mga color center qubits na direkta sa mga string ay napansin.”

Mga bituin tulad ng mga brilyante

Ang akumulasyon ng enerhiya ng mga ion beams sa isang maliit na temporal scale (nanometer at picosecond) ay gumagawa ng isang estado ng mataas na temperatura at presyon, na inihalintulad ng Schenkel sa ibabaw ng araw sa saklaw na 5000 K. Bilang karagdagan sa pag-aalis ng mga carbon atoms mula sa kristal na lattice ng brilyante, ang epekto na ito ay maaaring payagan ang mga pangunahing pag-aaral ng mga kakaibang estado ng pansamantalang mainit na siksik na bagay na matatagpuan sa maraming mga bituin at malalaking planeta na mahirap na pag-aralan nang direkta sa Earth.

Maaari rin itong paganahin ang pagbuo ng mga bagong qubit na may mga espesyal na katangian na hindi maaaring malikha ng maginoo na pamamaraan. “Magbubukas ito ng isang bagong direksyon upang mapalawak ang aming kakayahang lumikha ng mga tala ng kabuuan,” sabi ni Schenkel.

iP2 Beamline Target Chamber

Clockwise mula sa ibabang kaliwa: Ang mga mananaliksik ng postdoctoral ng ATAP na sina Sahel Judge at Lieselotte Obst-Huebl at mga siyentipikong tauhan na sina Kei Nakamura at Qing Ji ay ipinakita sa target room ng iP2 beamline. Ang iP2, isang high-density, maikling focal haba na sinag na linya sa ilalim ng konstruksyon na may suporta ng DOE Office of Fusion Energy Science, ay gagamitin para sa laser-based ion na pagpabilis sa Berkeley Lab Laser Accelerator Center (BELLA). Ang pagpabilis ng laser-plasma ion ay nag-aalok ng pag-asa na magsagawa ng maraming mga pag-andar gamit ang isang makabuluhang mas maliit na pasilidad kaysa sa maginoo na mga accelerator. Credit sa Larawan: Thor Swift / Berkeley Laboratory

Sa kasalukuyan, ang mga color center arrays ay nabuo ng mga beams mula sa malalaking mga partikulo accelerator tulad ng German lab GSI na ginamit sa pananaliksik na ito. Sa hinaharap, magagawa ito gamit ang compact laser.plasma Ang mga accelerator tulad ng mga nabuo sa Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center.

Ang BELLA Center ay aktibong bumubuo ng mga kakayahan sa pagpapabilis ng ion, na pinopondohan ng DOE Office of Science. Ang mga kakayahang ito ay gagamitin bilang bahagi ng LaserNetUS. Ang mga pulso ng ion mula sa pagpabilis ng laser-plasma ay napakatindi at lubos na pinalawak ang aming kakayahang makabuo ng mga pansamantalang estado ng lubos na nasasabik at maiinit na materyales para sa pagbubuo ng qubite sa ilalim ng mga bagong kundisyon.

Iba pang mga hindi timbang na aspeto sa materyal na agham

Ang proseso ng paglikha ng mga color center na ito ay kawili-wili sa sarili nitong at dapat na mas maintindihan bilang bahagi ng pag-unlad sa mga application na ito. Ang mga detalye kung paano nakakaipon ng enerhiya ang isang matinding ion beam habang dumadaan ito sa mga sample ng brilyante at ang tumpak na mekanismo kung saan hahantong ito sa pagbuo ng color center na nagtataglay ng mga nakagaganyak na prospect para sa karagdagang pagsisiyasat.

“Ang pag-aaral na ito ay nagpapakita ng parehong paggalugad ng mga oportunidad sa agham at ang potensyal para sa pagbabago ng lipunan na ibinibigay ng mga beam mula sa mga accelerator,” sabi ni Cameron Geddes, Direktor ng ATAP Division. “Sa mga Accelerator, lumilikha kami ng mga natatanging sitwasyon ng bagay at mga bagong kakayahan na hindi posible sa ibang mga paraan.”

Sanggunian: “Ang pagbuo ng mga nitrogen void center na direkta sa mga daanan ng mabilis na mabibigat na mga ions sa nitrogen-doped brilyante” ni Russell E. Lake, Arun Persaud, Casey Christian, Edward S. Barnard, Emory M. Chan, Andrew A. Bettiol, Marilena Tomut, Christina Trautmann at Thomas Schenkel, 24 Pebrero 2021, Inilapat na Mga Sulat sa Physics.
DOI: 10.1063 / 5.0036643

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ang Koponan sa Underwater Archeology ay Nakahanap ng 9,000-Taong-Taong Mga Bato ng Artifact

Kredito: Unibersidad ng Texas sa Arlington Ang pangkat ng arkeolohiya sa ilalim ng dagat ay natagpuan ang mga sinaunang obsidian na natuklap na 2,000 milya...

Nabawasan ang Panganib sa Kanser Kabilang sa Mga Pasyente sa Pagkabigo ng Puso na Gumagamit ng Statins

Ang paggamit ng Statin ay na-link sa isang pinababang panganib ng cancer sa mga pasyente na may kabiguan sa puso. Kredito: European Heart...

Tagumpay sa Teknolohiya ng Ultrathin para sa Revolution ng Night Vision – “Ginawa Namin ang Hindi Makikita”

Sinabi ni Dr. Rosso Camacho Morales na ang mga mananaliksik ay "hindi nakikita, nakikita." May-akda: Jamie Kidston, Australian National University Hayaan may ilaw! ...

Kapag Kakulangan sa Trabaho ng mga empleyado, Nakakuha sila ng Paranoid – At Aggressive

Kung ang mga empleyado ay walang kapangyarihan sa lugar ng trabaho, maaari silang makaramdam ng mahina at paranoid. Sa halip, ang paranoia na...

Ang kabuuang solar eclipses ay nag-iilaw sa solar wind

Pinapayagan ng mga espesyal na filter na masukat ang mga siyentipiko ng iba't ibang mga temperatura sa corona sa panahon ng pangkalahatang mga eclipse...

Newsletter

Subscribe to stay updated.