211service.com
Atoomgeheugen meten met nanoprecisie
De gebeurtenissen die plaatsvinden in atomen, vinden plaats met snelheden die normaal gesproken veel te snel zijn om vast te leggen. Nu onderzoekers van IBM 's Onderzoekscentrum Almaden hebben een techniek ontwikkeld waarmee ze deze atoomactie met ongekende resolutie kunnen bekijken.
Geheugenmachine: IBM-onderzoeker Sebastian Loth bedient de scanning tunneling-microscoop die zijn team gebruikte om te meten hoe lang een enkel atoom informatie kan opslaan.
De onderzoekers gebruikten de techniek om de oriëntatie van de spin van een atoom om te draaien, een fundamentele kwantumeigenschap, en vervolgens om te meten hoe lang het atoom zich deze toestand herinnerde voordat het terugkeerde naar zijn natuurlijke spintoestand. Dit is een eerste stap in de richting van de ontwikkeling van een soort computergeheugen dat op atomaire schaal werkt, en de techniek zou ook door materiaalwetenschappers kunnen worden gebruikt om het basisonderzoek uit te voeren dat nodig is om efficiëntere organische zonnematerialen te maken.
Het beïnvloeden en meten van de spintoestand van een atoom is een manier om een kwantumbit of qubit te maken, die tegelijkertijd kan dienen als zowel een 1 als een 0 in een kwantumcomputer. Het is mogelijk om de spin van een atoom statisch te meten, maar tot nu toe was het niet mogelijk om de spin van een atoom in de loop van de tijd te zien veranderen.
Onderzoekers onder leiding van Don Eigler en Andreas Heinrich in het laboratorium van IBM in San Jose, Californië, konden atomaire spins in de loop van de tijd zien omdraaien of ontspannen met behulp van een aangepaste scanning tunneling-microscoop of STM - een instrument dat IBM-onderzoekers in 1981 uitvonden. afbeeldingen van de toestand van het atoom om de vijf nanoseconden - een miljoen keer sneller dan voorheen.
De IBM-onderzoekers ontdekten dat een enkel ijzeratoom magnetische informatie in de vorm van spin ongeveer een nanoseconde kan opslaan. Wanneer het ijzeratoom zich echter in de buurt van een koperatoom bevindt, wordt zijn kwantumgeheugen verlengd, zodat het ongeveer 200 nanoseconden duurt voordat de spin zich ontspant. De resultaten zijn vorige week gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .
De informatie vervalt in 200 nanoseconden, maar dat is veel tijd, zegt Sebastian Loth, een lid van het onderzoeksteam. De huidige processors doen in die tijd honderden rekencycli.
Wanneer de punt van een STM heel dicht bij een oppervlak wordt gebracht, kan er elektrische stroom vloeien tussen atomen op het oppervlak en de punt ervan. Door over een oppervlak te bewegen, kan de microscoop er een afbeelding van maken. En door de stroomstroom te analyseren, is het mogelijk om meer te weten te komen over de magnetische toestand van het atoom, inclusief zijn spin.
Om de tijdresolutie van de STM te verbeteren, hebben de onderzoekers de tip aangepast, zodat deze niet alleen elektrische stroom meet, maar deze ook levert. Ze voerden stroom naar een atoom en maten vervolgens de toestand ervan na een bepaalde tijdsperiode. Voor elk van die tijdsperioden namen ze 100.000 metingen. Ze varieerden de tijd tussen pulsen en metingen en herhaalden het proces keer op keer. De beelden van elke meting werden gecombineerd als frames in een video. Door deze frames samen te voegen, creëerden de onderzoekers een bewegend beeld van de spintoestand van het atoom, met een frame dat elke vijf nanoseconden of zo werd genomen.
Loth zegt dat de IBM-onderzoekers de snelle STM-techniek hopen te gebruiken voor twee fundamentele onderzoeksgebieden. Ten eerste zullen ze het blijven gebruiken om te bepalen of verschillende combinaties van atomen kwantuminformatie langer kunnen opslaan. Ten tweede, door een stroom fotonen te gebruiken in plaats van een stroom elektronen als pulssignaal, zegt Loth, hopen de onderzoekers beter te begrijpen hoe sommige organische moleculen licht omzetten in elektrische energie. Dit kan leiden tot betere zonnecellen.
Systemen zoals die van IBM voor het omdraaien en meten van atomaire spins kunnen mogelijk deel uitmaken van een toekomstige kwantumcomputer, zegt Alan Aspuru-Guzik , hoogleraar scheikunde en chemische biologie aan de Harvard University. Het veranderen en meten van de spin van atomen, en kunnen voorspellen hoe atomen zich zullen gedragen, is een belangrijke stap in de richting van dit doel, zegt hij. De meeste apparaten die tot nu toe zijn gemaakt, zijn volgens hem meer kwantumspeelgoed dan computers. Maar het veld gaat gestaag vooruit, zegt hij. Elke week demonstreert iemand hoe hij de qubit een beetje beter kan manipuleren.