Пучки ионов означают квантовый скачок для цветно-центрированных кубитов

схожие новости

Достижение огромных перспектив квантовых вычислений требует новых разработок на всех уровнях, включая само вычислительное оборудование. Международная группа исследователей, возглавляемая Национальной лабораторией Лоуренса Беркли, обнаружила способ использования ионных пучков для создания длинных цепочек кубитов «цветных центров» в алмазе, сообщается в статье на сайте Лаборатории Беркли.

Среди авторов несколько человек из лаборатории Беркли: Арун Персо, который руководил исследованием, и Томас Шенкель, руководитель программы Fusion Science & Ion Beam Technology подразделения Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP), а также Кейси Кристиан (теперь с лабораторией Беркли), Эдвард Барнард из Molecular Foundry лаборатории Беркли и Рассел Э. Лейк из филиала ATAP.

Создание большого количества высококачественных квантовых битов (кубитов) в непосредственной близости для связи друг с другом — одна из самых сложных задач квантовых вычислений. Сотрудничая с коллегами по всему миру, команда изучает возможности использования ионных пучков для создания искусственных центров окраски в алмазе для использования в качестве кубитов.

Пучки ионов могут создавать цепочки тесно связанных квантовых битов (кубитов) на основе азотно-вакансионных «центров окраски» в алмазе для использования в аппаратном обеспечении квантовых вычислений. Сотовый рисунок на фотографии показывает разницу между участками, подвергающимися воздействию луча (более темными), и участками, замаскированными

Центры окраски — это микроскопические дефекты, некие отклонения от строгой структуры решетки кристалла, такого как алмаз. Тип дефекта, который представляет особый интерес для кубитов, — это атом азота рядом с пустым пространством в решетке алмаза. Отметим, что азот обычно содержится в кристаллической решетке алмаза, который в первую очередь представляет собой кристаллическую форму углерода и может влиять на цвет камня.

При возбуждении за счет быстрого энерговыделения проходящего иона в решетке алмаза могут образовываться центры вакансий азота. Электронные и ядерные задние части центров этих вакансий и соседних атомов углерода могут функционировать как твердотельные кубиты, а кристаллическая решетка может помочь защитить их когерентность и взаимную запутанность.

Результатом является физически прочная система, которую не нужно использовать в криогенной среде, что является привлекательным атрибутом для квантовых датчиков, а также для кубитов в этом типе твердотельного квантового компьютера. Однако создать достаточное количество кубитов и сделать их достаточно близко друг к другу было непросто.

Когда быстрые (высокоэнергетические) тяжелые ионы, такие как лучи, которые использовала эта команда (ионы золота с кинетической энергией около одного миллиарда электрон-вольт) проходят через материал, такой как легированный азотом алмаз, они оставляют след из вакансий азота по их следам. Установлено, что центры окраски образуются напрямую, без необходимости дальнейшей термообработки. Более того, они образовывались по всей длине ионных треков, а не только в конце ионного диапазона, как ожидалось из более ранних исследований с ионами с более низкими энергиями. В этих прямых «перколяционных цепочках» кубиты с центрами окраски выровнены на расстояниях в десятки микрон и находятся всего в нескольких нанометрах от своих ближайших соседей. Метод, разработанный лабораторией Беркли, позволяет измерять центры окраски с разрешением по глубине.

Штатный научный сотрудник отдела ATAP Арун Персо, главный исследователь этой работы

Работа по синтезу кубитов, далеких от равновесия, была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США. Следующим шагом в исследовании будет физическое вырезание группы этих центров окраски, а также необходимо будет показать, что они действительно настолько тесно связаны, что их можно использовать в качестве квантовых регистров.

Результаты, опубликованные в данной статье, показывают, что можно будет сформировать квантовые регистры примерно из 10 тысяч связанных кубитов — на два порядка больше, чем было достигнуто до сих пор с помощью дополнительной технологии кубитов с ионной ловушкой — на расстоянии около 50 микрон.

— Взаимодействие быстрых тяжелых ионов с материалами изучается на протяжении десятилетий для различных целей, включая поведение ядерных материалов и влияние космических лучей на электронику, — сказал Шенкель.

Он добавил, что исследователи во всем мире пытались создать квантовые материалы, искусственно создавая центры окраски в алмазе.

В крошечном и эфемерном масштабе (нанометры и пикосекунды) вклад энергии ионными пучками создает состояние высокой температуры, которое Шенкель сравнивает с поверхностью Солнца в диапазоне 5000 К, а также давлением. Помимо выбивания атомов углерода из кристаллической решетки алмаза, этот эффект мог бы позволить фундаментальные исследования экзотических состояний переходной теплой плотной материи, состояния материи, которое присутствует во многих звездах и больших планетах и ​​которое трудно изучать непосредственно на Земле. Это также может позволить формировать новые кубиты с заданными свойствами, которые невозможно сформировать обычными методами.

Постдокторанты отдела ATAP Сахель Хакими и Лизелотт Обст-Хюбл, а также штатные ученые Кей Накамура и Цин Джи показаны в целевой камере лучевого канала iP2. Линия пучка высокой интенсивности с коротким фокусным расстоянием, которая в настоящее время строится при поддержке Министерства энергетики США по наукам о термоядерной энергии, iP2 будет использоваться для лазерного ускорения ионов в Центре лазерных ускорителей лаборатории Беркли (BELLA). Лазерно-плазменное ускорение ионов дает надежду на выполнение многих функций с использованием установки, значительно меньшей, чем обычные ускорители

— Это открывает новое направление для расширения наших возможностей по формированию квантовых регистров, — сказал Шенкель.

В настоящее время струны центров окраски формируются с помощью лучей от крупных ускорителей частиц, таких как тот, который использовался в немецкой лаборатории GSI на этот раз. В будущем они могут быть созданы с использованием компактных лазерно-плазменных ускорителей, подобных тем, которые разрабатываются в Центре лазерных ускорителей Лаборатории Беркли (BELLA).

Центр BELLA активно развивает свои возможности по ускорению ионов при финансовой поддержке Управления науки Министерства энергетики США. Эти возможности будут использоваться как часть LaserNetUS. Ионные импульсы от лазерно-плазменного ускорения очень интенсивны и значительно расширяют нашу способность формировать переходные состояния высоковозбужденных и горячих материалов для синтеза кубитов в новых условиях.

Читать еще

Комментарий

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Пожалуйста, введите ваш комментарий!
пожалуйста, введите ваше имя здесь

Популярные новости

Разнообразие — ключ к выживанию млекопитающих, говорят ученые института Броуда в США

Согласно новому геномному анализу, млекопитающие, подвергающиеся наибольшему риску исчезновения, имеют низкое генетическое разнообразие в некоторых областях ДНК. Как утверждается в статье Дэборы Дэвис, международная группа...

Природные антивитамины идут на смену антибиотикам

Вирусы стали прочными против сильных медикаментов, они уже привыкли к антибиотикам. И обнаружилось, что есть средство сильнее, которое уничтожает микроорганизмы уже много лет —...

Скорость океанических течений стремительно растет

Накануне эксперты сообщили, что скорость океанических течений стремительно растет и за последние 30 лет темп значительно ускорился. Это стало известно благодаря фотографиям со спутника. Если...

Использование приложений для знакомств связано с социальной тревогой

Люди, которые испытывают социальную тревогу и депрессию, чаще используют приложения для знакомств, но есть одна особенность. Как говорит журнал «COSMOS», согласно канадскому исследованию, мужчины из...

Огролицые пауки ловят насекомых в воздухе, используя звук

Портал PHG.ru выяснил, что по информации международного интернет-журнала Science News, огролицые охотники слушают и высокие, и низкие частоты, но только низкие способствуют атаке на...

Зоологи подтвердили, что самцы горилл общаются друг с другом с помощью биения в грудь

По словам немецких зоологов, гипотеза о том, что чем крупнее самец гориллы, тем сильнее он бьет себя в грудь, верна. Тем самым он общается...

Новое исследование раскрывает тайны спиралевидной группировки атомов

В 2016 году изучение сегнетоэлектриков стало более интересным с открытием полярных вихрей — по сути, спиралевидной группировки атомов — в структуре материала. Теперь группа...

Кенгуру оказались способны общаться с людьми не хуже собак

По результатам ученых из Австралии и Британии, кенгуру понимают людей и могут контактировать с ними. Иногда действительно кажется, что животное хочет что-то сказать, и бывает...

NIST повысили точность компьютерных рекомендаций по вакцинации

Программный инструмент, созданный в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), помогает принимать более обоснованные решения относительно определения нужных прививок. Этот программный инструмент, называемый набором тестов...