Высококачественный кремний – один из исторических фондов современного вычисления. Но это также обещает для квантовых информационных технологий. В частности, электрон и ядерные вращения в чистых кремниевых кристаллах были измерены, чтобы иметь превосходные свойства как долговечные кубиты, эквивалент битов в обычных компьютерах.
В газете, появляющейся на этой неделе по своей природе, Коммуникации, Прокладка Юня-Пила и Чарльз Тэхэн из Университета Мэриленда и Лаборатории для Физики (на Колледж-Парке, кампусе Мэриленда) показали, как кубиты сверхпроводимости и устройства могут быть построены из кремния. Выполнение так может потенциально комбинировать хорошие квантовые свойства кремния и повсеместность полупроводниковой технологии с гибкостью устройств сверхпроводимости. Они предлагают использовать «восходящие» методы нанофальсификации, чтобы построить точно помещенные регионы сверхпроводимости в кремнии или германии и показать, что такие «провода» могут использоваться, чтобы сделать туннельные соединения сверхпроводимости и другие полезные устройства сверхпроводимости.Кубиты в сверхпроводниках и полупроводниках
Схемы сверхпроводимости, сделанные из металлов сверхпроводимости и туннельных соединений Джозефсона (которые позволяют парам электрона сверхпроводимости тоннелю между двумя сверхпроводниками), исключительно настраиваемы и могут произвести устройства в пределах от датчиков магнитного поля к классическим логическим схемам. Они, вероятно, будут, также играть большую роль в обработке информации о кванте, где они могут использоваться в качестве платформы для кубитов, крошечные квантовые системы, которые проживают в суперположении квантовых состояний.
Несколько типов схем сверхпроводимости использовались, чтобы осуществить кубиты и квантовые логические вентили с различными свойствами и потенциальным использованием. Например, в одном виде тока схемы может течь в любом из двух направлений. Эти альтернативы составляют два суперизложенных государства, необходимые для установления кубита. Два государства могут быть маркированы «0» и «1» на аналогии с классическими битами.
Микроволновые импульсы могут стимулировать переходы между этими двумя уровнями, допускающими квантовые логические вентили.В целом квантовые системы – тонкие объекты и восприимчивы к шуму и другим факторам окружающей среды, которые уменьшают работу. Предполагаемые квантовые схемы должны сохранить кубиты от внешнего вмешательства столько, сколько квантовое вычисление продолжается.
Несмотря на быстрый прогресс в качестве кубитов сверхпроводимости (сроки службы кубита могут теперь превзойти 100 микросекунд), коэффициенты ошибок ворот кубита все еще ограничены потерей в металлах, изоляторах, основаниях и интерфейсах, которые составляют разнородные устройства сверхпроводимости.Кубиты вращения, пример кубитов, понятых в твердотельном, кремниевом контексте. Вращение – квантовая собственность частиц как электрон; физики часто думают о вращении электрона как о том, чтобы быть похожем на маленький магнит, который естественно укажет вдоль направления прикладного магнитного поля. Здесь 0 и 1 государство соответствуют двум возможным ориентациям электронного вращения, или или вниз.
Поскольку вращение естественно расцеплено от обвинения в некоторых системах (значение, что информация, хранившая в направлении вращения, не будет разрушена, перемещая электрон или им встряхиваемый электрическим шумом), кубиты вращения, как думают, обещают кандидатам на прочный дизайн кубита. Далее, использование эпитаксиальных полупроводниковых устройств и способность похоронить кубиты вращения глубоко в полупроводниковой среде, далеко от шума в интерфейсах и поверхностях, привели к кубитам, которые живут в течение многих секунд или даже часов в некоторых ситуациях, намного дольше, чем кубиты сверхпроводимости до настоящего времени.
Практические устройстваShim и Tahan предлагают использовать лучшие функции кубитов сверхпроводника и полупроводника. Они стремятся делать провода сверхпроводимости и соединения, из которых кубиты и датчики могут быть сделаны, поместив (или «лакируя») акцепторные атомы (такие как бор или алюминий, элементы, которые с готовностью принимают дополнительные электроны) в кремнии в точных регионах в кристалле.
Они предполагают, что недавно развитая техника от кремниевого сообщества кубита, «водородная литография STM», может использоваться, чтобы сделать просто это. Введенный впервые Мишель Симмонс в Университете Нового Южного Уэльса, наконечник просмотра микроскопа туннелирования (STM) используется, чтобы выборочно удалить водородные атомы на поверхности кремния (или германий). Допинг газа, такого как фосфин может тогда быть введен, позволив отборное размещение примесей вниз на единственное атомное место. «Если акцепторные атомы могут быть помещены в достаточную плотность по достаточным слоям, то регионы сверхпроводимости могут быть изготовлены в кремнии и затем заключены в капсулу с прозрачным кремнием», говорит доктор Шим.
В некоторых усилиях STM столько же, сколько один в четырех кремниевые атомы были заменены этим способом. И обычно чем выше плотность допанта, тем выше критическая температура сверхпроводимости будет.Ученые сначала узнали приблизительно 10 лет назад, что кремний может быть сделан сверхпроводимостью, если лакируется к достаточной плотности с акцепторными атомами, такими как бор.
В последние годы качество таких систем кремния сверхпроводимости улучшилось значительно, приведя к материалу со сверхпроводимостью критические температуры, приближающиеся к 1 Келвину и все еще оставляющие кристалл в хорошем состоянии (другими словами, это все еще кремниевое).Вычисляя свойства этих регионов полупроводника сверхпроводимости, Shim и Tahan показывают, что провода с достаточной критической температурой могут быть построены практически с восходящим водородным подходом литографии. Они также показывают, что туннельные соединения Джозефсона и слабые связи, фундаментальная нелинейность, из которой могут быть построены схемы сверхпроводимости, могут также быть сделаны. Наконец они показывают, что ранее продемонстрированный кубит сверхпроводимости печатает (замеченный в металлических образцах), может быть построен в этой кремниевой системе также и обеспечить геометрические требования, необходимые для фальсификации.
«Есть продолжающееся усилие сделать барьер туннелирования эпитаксиальным, чтобы улучшить его качество», сказал Чарльз Тэхэн, «но никакая предыдущая работа, чтобы сделать целое устройство из единственного полупроводникового кристалла. Насколько мы знаем, это – первое предложение по выполнимости кремния SC для соединений Джозефсона и кубитов.
Я также взволнован потенциалом этих систем для других устройств, таких как датчики и датчики частицы».Вне возможности схем сверхпроводимости, построенных в гомогенном кремниевом кристалле, спроектированные устройства полупроводника сверхпроводимости как они могли использоваться, чтобы построить другие типы экзотических квантовых систем много-тела в уровне атомов, и даже действовать как испытательные стенды для нашего понимания самой сверхпроводимости.