211service.com
Kwantumsprong
Een internationaal team van onderzoekers heeft aangetoond dat het de kwantumtoestand van een enkel elektron in een siliciumtransistor kan regelen, en het elektron zelfs op twee plaatsen tegelijk kan plaatsen. Hun ontdekking zou de weg kunnen banen naar een praktische kwantumcomputer.
Hek oppas: Een computermodel toont een arseenatoom met een elektron dat zich tegelijkertijd in twee verschillende kwantumtoestanden bevindt. Een internationaal team van onderzoekers bevestigde experimenteel de voorspellingen van het model.
Quantumcomputers maken gebruik van de vreemde eigenschappen van subatomaire deeltjes om bepaalde soorten berekeningen veel sneller uit te voeren dan klassieke computers. Onderzoekers onderzoeken een groot aantal verschillende benaderingen van kwantumcomputing, en sommige hebben zelfs primitieve kwantumcircuits gebouwd die berekeningen kunnen uitvoeren. Maar praktische kwantumcomputing zou de mogelijkheid vereisen om apparaten te vervaardigen met miljoenen kwantumcircuits - in plaats van de 12 of 16 die nu haalbaar zijn - die kunnen worden geïntegreerd met meer conventionele elektronica.
Een theoretische benadering van praktische kwantumelektronica is het gebruik van conventionele elektronica - kleine halfgeleidertransistors - om de toestand van een kwantumsysteem te regelen. Onderzoekers onder leiding van Sven Rogge , een onderzoeker aan de Technische Universiteit Delft, in Nederland, voerde de eerste praktische experimenten uit om de theoretische voorspellingen van de aanpak te verifiëren. Het team, dat ook onderzoekers omvatte van Purdue universiteit ; de Universiteit van Melbourne , in Australië; en IMEC , in België, ontdekte dat het de kwantumtoestand van een enkel elektron kon regelen door simpelweg de spanning op een transistor te veranderen. Dit is een mooie stap in de richting van toekomstige apparaten waarbij de prestaties worden bepaald door manipulatie van kwantumtoestanden van afzonderlijke atomen, zegt Thomas Schenkel, een wetenschapper bij Lawrence Berkeley National Laboratory .
De onderzoekers gebruikten geprefabriceerde transistors gebouwd voor nanotech-onderzoek, die elk bestonden uit twee gekruiste silicium nanodraden. Een van de nanodraden - de onderste - was verbonden met elektroden die arseen bevatten. Als die draad werd opgeladen, trok hij soms arseenatomen in de transistor. Na het aanleggen van een spanning over ongeveer 100 transistors, vond het team zes die individuele arseenatomen leken te hebben ingebed in de nanodraad. Ze ontdekten toen dat het variëren van de spanning over de bovenste draad de kwantumtoestand van een van de elektronen van het atoom zou regelen. Met behulp van een beeldvormingstechniek genaamd scanning tunneling spectroscopie, waren ze in staat om drie toestanden van de atomen in alle zes apparaten te onderscheiden. Een van die toestanden kwam overeen met het feit dat het elektron op twee plaatsen tegelijk was - een eigenschap die nodig is voor kwantumcomputers.
Maar om het gedrag van één atoom te begrijpen, moet je miljoenen modelleren, zegt Rogge. Dus gebruikten hij en zijn collega's een kant-en-klaar programma genaamd NEMO 3D om een grootschalig systeem met 1,4 miljoen atomen te karakteriseren. Ze ontdekten dat de metingen van hun modelsysteem goed overeenkwamen met de spectroscopieresultaten. Het is echt gaaf om te zien hoe goed hun simulaties willekeurig gedoteerde transistors kunnen beschrijven, die allemaal in detail verschillen, zegt Schenkel.
Gewijzigde staten: Naarmate het elektrische veld geïnduceerd door een silicium nanodraad (grijs) toeneemt, beweegt een elektron in een arseenatoom van zijn grondtoestand (links) naar een aangeslagen toestand (rechts). Tijdens deze overgang komt het elektron in een gehybridiseerde toestand (midden) waarin het zich tegelijkertijd in beide andere toestanden bevindt. In theorie zou zo'n elektron als qubit in een kwantumcomputer kunnen dienen.
Afhankelijk van de sterkte van het elektrische veld dat door de bovenste nanodraad wordt gecreëerd, kan een elektron in een van de drie toestanden worden gevonden. Bij lage elektrische velden bleef het elektron gebonden aan het arseenatoom. Bij hoge elektrische velden werd het elektron weggetrokken van het atoom. Maar als het elektrische veld precies op het juiste niveau was, zou het elektron op beide plaatsen tegelijk zijn.
Om een kwantumcomputer te laten werken, moeten zijn qubits - het kwantumequivalent van de bits van een klassieke computer - verstrengeld zijn: hun kwantumtoestanden moeten aan elkaar worden gekoppeld. Een elektron wegtrekken van zijn atoom kan een interessante manier zijn om aangrenzende qubits te koppelen, zegt Schenkel.
Hoewel dit resultaat belangrijk is, ligt de echte uitdaging bij het maken van toekomstige single-doterende apparaten in het uitzoeken hoe de [arseenatomen] met de vereiste precisie in de siliciumhost kunnen worden geplaatst, zegt Bruce Kane , een onderzoeker aan de Universiteit van Maryland. De onderzoekers vonden hun zes apparaten bij toeval; om werkende circuits te produceren, zouden ze atomen van arseen - of een ander materiaal - betrouwbaarder in de transistors moeten kunnen plaatsen.
Terwijl de onderzoekers uiteindelijk hopen de positie van de atomen in de transistor te kunnen controleren, is onze volgende stap om een tweede elektron toe te voegen en te kijken wat er gebeurt met de configuratie van de elektronentoestand, zegt Gabri Lansbergen, een andere Delftse onderzoeker. In de verre toekomst, voegt Rogge eraan toe, willen we met verschillende [materialen] experimenteren en zien hoe ze op elkaar inwerken.