(Nanowerk NieuwsEen toekomstig kwantumnetwerk kan minder ingewikkeld worden dankzij onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), de Universiteit van Chicago en de Universiteit van Cambridge. Een team van onderzoekers kondigde een doorbraak aan in de techniek van kwantumnetwerken: door dunne diamantfilms te ‘uitrekken’ creëerden ze kwantumbits die kunnen werken met aanzienlijk lagere apparatuur en kosten. De verandering maakt de bits ook gemakkelijker te controleren. De onderzoekers hopen dat de bevindingen, gepubliceerd in Fysieke beoordeling X ("Op microgolven gebaseerde kwantumcontrole en coherentiebescherming van tin-vacancy spinqubits in een op spanning afgestemde diamant-membraan-heterostructuur"), kunnen toekomstige kwantumnetwerken haalbaarder maken.
Door dunne diamantfilms te ‘uitrekken’ hebben onderzoekers kwantumbits gecreëerd die kunnen werken met aanzienlijk lagere apparatuur en kosten. (Illustratie door Peter Allen) "Met deze techniek kun je de bedrijfstemperatuur van deze systemen dramatisch verhogen, tot het punt waarop het veel minder hulpbronnenintensief is om ze te bedienen", zegt Alex High, assistent-professor aan de UChicago Pritzker School of Molecular Engineering, wiens laboratorium de studie leidde.
Kwantumbits, of qubits, hebben unieke eigenschappen die ze interessant maken voor wetenschappers die op zoek zijn naar de toekomst van computernetwerken. Ze kunnen bijvoorbeeld vrijwel ongevoelig worden gemaakt voor hackpogingen. Maar er zijn nog grote uitdagingen die moeten worden opgelost voordat het een wijdverspreide, alledaagse technologie kan worden.
Een van de belangrijkste problemen ligt bij de ‘knooppunten’ die informatie langs een kwantumnetwerk doorgeven. De qubits waaruit deze knooppunten bestaan, zijn erg gevoelig voor hitte en trillingen, dus wetenschappers moeten ze afkoelen tot extreem lage temperaturen om te kunnen werken.
“De meeste qubits vereisen tegenwoordig een speciale koelkast ter grootte van een kamer en een team van hoogopgeleide mensen om deze te runnen, dus als je je een industrieel kwantumnetwerk voorstelt waar je er elke vijf tot tien kilometer één moet bouwen, dan moet je nu We hebben het over behoorlijk wat infrastructuur en arbeid”, zei High.
Het laboratorium van High werkte samen met onderzoekers uit Argonne om te experimenteren met de materialen waaruit deze qubits zijn gemaakt, om te zien of ze de technologie konden verbeteren.
Een van de meest veelbelovende soorten qubits is gemaakt van diamanten. Deze qubits staan bekend als ‘Groep IV-kleurcentra’ en staan bekend om hun vermogen om kwantumverstrengeling gedurende relatief lange perioden in stand te houden, maar om dat te doen moeten ze worden afgekoeld tot slechts een klein beetje boven het absolute nulpunt.
Het team wilde sleutelen aan de structuur van het materiaal om te zien welke verbeteringen ze konden aanbrengen – een moeilijke taak gezien de hardheid van diamanten. Maar de wetenschappers ontdekten dat ze de diamant op moleculair niveau konden ‘uitrekken’ als ze een dun laagje diamant over heet glas legden. Terwijl het glas afkoelt, krimpt het langzamer dan de diamant, waardoor de atomaire structuur van de diamant enigszins wordt uitgerekt – zoals bestrating uitzet of samentrekt als de aarde eronder afkoelt of opwarmt, legde High uit.
Dit uitrekken heeft, hoewel het de atomen slechts in een oneindig kleine hoeveelheid uit elkaar beweegt, een dramatisch effect op hoe het materiaal zich gedraagt.
Ten eerste kunnen de qubits nu hun coherentie behouden bij temperaturen tot 4 Kelvin (of min 452 graden Fahrenheit). Dat is nog steeds erg koud, maar het kan worden bereikt met minder gespecialiseerde apparatuur.
"Het verschil in infrastructuur- en exploitatiekosten is een orde van grootte", zegt High.
Ten tweede maakt de verandering het ook mogelijk om de qubits met microgolven te besturen. Eerdere versies moesten licht in de optische golflengte gebruiken om informatie in te voeren en het systeem te manipuleren, wat ruis veroorzaakte en betekende dat de betrouwbaarheid niet perfect was. Door het nieuwe systeem en de microgolven te gebruiken, steeg de betrouwbaarheid echter tot 99%.
Het is ongebruikelijk om tegelijkertijd verbeteringen op beide gebieden te zien, legt Xinghan Guo, een Ph.D. student natuurkunde in High's lab en eerste auteur op het papier.
"Als een systeem een langere coherentielevensduur heeft, komt dat meestal doordat het goed is in het 'negeren' van interferentie van buitenaf - wat betekent dat het moeilijker te controleren is, omdat het die interferentie weerstaat," zei hij. "Het is heel spannend dat we door een zeer fundamentele innovatie in de materiaalkunde te maken dit dilemma hebben kunnen overbruggen." “Door inzicht te krijgen in de fysica die speelt bij Groep IV-kleurcentra in diamant, hebben we met succes hun eigenschappen kunnen afstemmen op de behoeften van kwantumtoepassingen”, zegt Argonne-wetenschapper Benjamin Pingault, tevens co-auteur van het onderzoek.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=64157.php
