Нова головка для читання квантових комп'ютерів

Графеновий шар зчитує оптичну інформацію з нано-алмазів

Бачення майбутнього: Квантовий комп’ютер з алмазними та графеновими чіпами © Крістіан Хоман / Ініціатива наносистем Мюнхен (NIM)
читати вголос

Помилки як пам'ять: атоми азоту, укладені в алмаз, можуть використовуватися як одиниці зберігання даних для квантових комп'ютерів. Поки, однак, такими дефектами можна було маніпулювати лише за допомогою лазерів та не читатись в електронному вигляді. Зараз міжнародна дослідницька група подолала цю проблему: за допомогою графена наноматеріалів перспективні водойми можна також прочитати в електронному вигляді, повідомляють вчені у журналі Nature Nanotechnology. Таким чином, надзвичайно висока тактова частота для майбутніх комп’ютерів робить великий крок ближче.

Ідеальний алмаз складається з чистого вуглецю - в природі, однак, завжди є невеликі домішки. Багато таких помилок надають алмазам особливий колір. Найкраще вивчені так звані подвійні дефекти в кристалічній решітці алмазу, при яких атом вуглецю замінюється азотом. Крім того, поруч з азотом є порожній простір, свого роду отвір у кристалічній решітці. Такі подвійні недосконалості можна використовувати як високочутливі датчики, а також вони можуть бути використані як зберігання інформації для квантових комп'ютерів. Поки, однак, не було можливості знову електрично прочитати оптично кодовану інформацію.

Дефіцити азоту та дві форми вуглецю

Команда на чолі з Олександром Холлейтнером з Мюнхенського технічного університету створила такий варіант читання. Крім алмазу, вчені використовують ще одну форму вуглецю: графен. Оскільки вони виявили, що енергія може переноситися від дефектів алмазу безпосередньо до безпосередньо сусіднього шару двовимірного матеріалу графена.

З цією метою дослідники опромінювали алмази розміром близько 100 нанометрів лазерним світлом. Легкий фотон піднімає електрон у центрі азотної вакансії зі свого нормального стану до збудженого стану. Заряд електрона тимчасово відокремлюється від лівого отвору в сітці. "Систему збудженого електрона та занедбаний наземний стан можна вважати диполем", - пояснює Холлейтнер. "Цей диполь знову створює диполь електрона і вакансію в сусідньому шарі графена."

Лабораторна установка для вимірювання взаємодії між графеном та нанодіамантами із вбудованими центрами азотних вакансій. Астрід Екерт / ТУМ

Алмаз не є електричним провідником, тому окремі центри дефектів у нанодіамантах ізольовані один від одного. У графена він різний, він навіть чудово проводить електричний струм. За допомогою двох золотих електродів вчені можуть записувати заряд, що генерується диполем, і вимірювати його в електронному вигляді. Особливість: Поки цей процес "безпроменевої передачі енергії" неможливо контролювати і вимірювати. Однак тепер члени команди та колеги також можуть визначити спін атома азоту, який квантові комп'ютери могли служити одиницею зберігання. дисплей

Це залежить від швидкості

Важливим для цієї експериментальної установки є те, що вимірювання відбувається надзвичайно швидко: через кілька мільярдів секунди згенерована пара електрона і виходить отвір знову зникають. Нещодавно розроблений метод фізиків навколо Холлейтнера, однак, більш ніж швидкий, він навіть дозволяє проводити вимірювання в діапазоні трильйони секунди. Це дозволяє точно прослідкувати процеси в графіку і, таким чином, в алмазі. Ця надзвичайна швидкість комутації, встановлена ​​в майбутньому квантовому комп'ютері, може забезпечити високу тактову частоту аж до терагерцового діапазону.

І методом можна виміряти не лише дефекти азоту, але, можливо, й інші, природні помилки: "В принципі, наша техніка також повинна працювати з молекулами барвника", - каже Перший автор Андреас Бренне з Мюнхена ТУ. "Алмаз містить близько 500 таких дефектів, але метод настільки чутливий, що ми могли б також виміряти окремі молекули барвника" (Nature Nanotechnology, 2014; doi: 10.1038 / nnano.2014.276)

(Технічний університет Мюнхен, 02.12.2014 - AKR)