نقاط را بین خواص مواد و عملکرد کیوبیت متصل کنید


اخبار – UPTON ، NY – مهندسان و دانشمندان مواد در حال مطالعه بیت های ابر رسانایی کوانتوم اطلاعات (کیوبیت) – یک پلت فرم پیشرو در زمینه مواد محاسباتی کوانتومی بر اساس جریان روان الکترون های زوج – سرنخ هایی جمع آوری کرده اند که به منابع میکروسکوپی از دست دادن اطلاعات کیوبیت اشاره می کند. این از دست دادن یکی از موانع اصلی برای دستیابی به رایانه های کوانتومی است که می تواند میلیون ها کیوبیت را برای انجام محاسبات پیچیده به هم متصل کند. چنین سیستم های مقیاس بزرگ و مقاوم در برابر خطا می توانند مولکول های پیچیده ای را برای توسعه دارو شبیه سازی کنند ، کشف مواد جدید انرژی پاک را تسریع کرده و کارهای دیگری را انجام دهند که ابر رایانه های قدرتمند امروزه (میلیون ها سال) غیرممکن یا غیرممکن است.

درک ماهیت نقص در سطح اتمی که به از دست دادن اطلاعات کیوبیت کمک می کند ، هنوز تا حد زیادی وجود ندارد. این تیم با ایجاد ویژگی های پیشرفته در ویژگی های ویژگی در مرکز نانومواد کاربردی (CFN) و منبع نور Synchrotron National II (NSLS-II) ، هر دو وزارت انرژی ایالات متحده (این ویژگی) را از بین بردن فاصله بین خواص مواد و عملکرد کیوبیت کمک کرد. DOE) تسهیلات کاربری دفتر علوم در آزمایشگاه ملی بروکهاون. نتایج آنها نقص های شیمیایی ساختاری و سطحی را در کیوبیت های ابررسانای نیوبیوم نشان داد که می توانند تلفات ایجاد کنند.

آنجالی پرمکومار ، دانشجوی سال چهارم دکتری در آزمایشگاه هوک دانشگاه پرینستون و نویسنده اصلی مقاله گفت: “کیوبیت های ابررسانا یک بستر محاسباتی کوانتومی امیدوار کننده است زیرا ما می توانیم ویژگی های آنها را طراحی کرده و با استفاده از ابزارهای مشابه رایانه های معمولی ایجاد کنیم.” مواد ارتباطی توصیف کننده تحقیق “با این حال ، آنها زمان انسجام کوتاه تری نسبت به سایر سیستم عامل ها دارند.”

به عبارت دیگر ، آنها نمی توانند مدت ها قبل از دست دادن اطلاعات ، آنها را نگه دارند. اگرچه زمان انسجام برای کیوبیت های فردی به تازگی از میکروثانیه به میلی ثانیه بهبود یافته است ، اما زمانی که چندین کیوبیت به هم متصل شوند ، این زمان ها به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

Premkumar ادامه می دهد: “انسجام کیوبیت با کیفیت ابررساناها و اکسیدهایی که هنگام تماس فلز با اکسیژن اتمسفر به ناچار روی آنها رشد می کنند محدود می شود.” “اما ما به عنوان مهندس qubit ، ما مواد خود را با جزئیات مشخص نکرده ایم. این اولین بار است که ما با متخصصان مواد همکاری می کنیم که می توانند از ابزارهای پیچیده برای بررسی دقیق ساختار و شیمی مواد ما با جزئیات استفاده کنند. “

این همکاری “پیش درآمد” مرکز طراحی مشترک برای مزیت کوانتومی بود (C2QA) ، یکی از پنج مرکز ملی اطلاعات اطلاعات کوانتومی است که در سال 2020 برای حمایت از ابتکار ملی کوانتوم تأسیس شد. مدیریت شده توسط Brookhaven Lab، C2QA مهندسان سخت افزار و نرم افزار ، فیزیکدانان ، دانشمندان مواد ، نظریه پردازان و سایر متخصصان آزمایشگاه ها ، دانشگاه ها و صنایع ملی را گرد هم می آورد تا مشکلات عملکرد را با سخت افزار و نرم افزار کوانتومی حل کند. از طریق تلاش های مشترک برای طراحی مواد ، تجهیزات و نرم افزار ، C.2تیم QA در تلاش است تا خواص مواد را بفهمد و در نهایت آنها را کنترل کند تا زمان انسجام را افزایش دهد ، دستگاه هایی را تولید کند که کیوبیت های قوی تری تولید کنند ، الگوریتم ها را برای هدف قرار دادن برنامه های علمی خاص و توسعه راه حل های اصلاح خطا بهینه کند.

در این مطالعه ، تیم با استفاده از سه روش مختلف پاشیدن لایه های نازکی از فلز نیوبیوم ایجاد کردند. پاشیدن شامل شلیک ذرات پرانرژی به هدفی است که حاوی مواد مورد نظر است. اتم ها از مواد مورد نظر خارج شده و بر روی بستر مجاور فرود می آیند. اعضای آزمایشگاه هوک پاشش استاندارد (جریان مستقیم) را انجام دادند ، در حالی که مهندسی Angstrom شکل جدیدی از پاشش را که در آن تخصص دارند (پاشش مگنترون پالس با قدرت بالا ، یا HiPIMS) ، که شامل موجهای کوتاه هدف ولتاژ بالا است ، اعمال کرد. Angstrom دو نوع HiPIMS را اجرا کرد: نرمال و با عملکرد بهینه و هندسه بستر هدف.

در بازگشت به پرینستون ، پرمکومار از سه فیلم پاشیده دستگاه های Transmon را ساخت و آنها را در یخچال رقیق کننده قرار داد. در این یخچال ، درجه حرارت تقریباً به صفر مطلق (منفی 459.67 درجه فارنهایت) می رسد و کیوبیت ها را ابررسانا می کند. در این دستگاهها ، جفتهای الکترونهای ابررسانا از طریق یک مانع عایق ساخته شده از اکسید آلومینیوم (محل اتصال جوزفسون) که بین لایههای آلومینیومی ابررسانا که با پدهای خازنی ساخته شده از نیوبیوم روی یاقوت کبود متصل شده اند ، تونل می کنند. حالت کیوبیت زمانی تغییر می کند که جفت الکترون از یک طرف مانع به طرف دیگر می رود. کیوبیت های ترانسمون ، به طور مشترک توسط محقق اصلی آزمایشگاه Houck و C اختراع شد2اندرو هوک ، مدیر QA ، از انواع اصلی کیوبیت های ابررسانا هستند زیرا نسبت به نوسانات میدان های الکتریکی و مغناطیسی محیط بسیار حساس نیستند. چنین نوساناتی می تواند منجر به از دست رفتن اطلاعات از کیوبیت شود.

برای هر یک از سه نوع دستگاه ، Premkumar زمان آرامش انرژی را اندازه گیری کرد ، مقداری که به استحکام حالت کیوبیت مربوط می شود.

ایگناس جاریج ، فیزیکدان سابق NSLS-II و اکنون محقق کوانتومی توضیح می دهد: “زمان آرامش انرژی مربوط به زمانی است که کیوبیت در اولین حالت برانگیخته باقی می ماند و اطلاعات را قبل از اینکه در حالت اولیه تجزیه شود و اطلاعات خود را از دست می دهد رمزگذاری می کند.” تیم آمازون بروکهاون این مطالعه را رهبری کرد.

هر دستگاه زمان های آرامش متفاوتی داشت. برای درک این تفاوت ها ، تیم میکروسکوپی و طیف سنجی را روی CFN و NSLS-II انجام دادند.

دانشمندان پرتوهای NSLS-II با استفاده از طیف سنجی اشعه X با اشعه ایکس حالت نرمال و طیف سنجی نرم اشعه ایکس (IOS) و اشعه ایکس سخت در طیف سنجی نرم و نرم (SST .) -2) خط تیر. آنها از طریق این بررسی های طیف سنجی ، زیر اکسیدهای مختلفی را که بین فلز و لایه اکسید سطحی قرار دارند و در مقایسه با نیوبیوم مقدار کمی اکسیژن دارند ، شناسایی کردند.

جریج توضیح می دهد: “ما برای تفکیک پنج حالت مختلف اکسیداسیون نیوبیوم و هر دو اشعه ایکس سخت و نرم با سطوح مختلف انرژی به وضوح بالای انرژی NSLS-II نیاز داریم تا این حالتها را به عنوان تابعی از عمق نشان دهیم.” “فوتوالکترونهای تولید شده توسط اشعه ایکس نرم فقط از چند نانومتر اول سطح خارج می شوند ، در حالی که آنهایی که توسط اشعه ایکس سخت ایجاد می شوند می توانند از لایه های عمیق تر فیلم خارج شوند.”

در خط باریک پراکندگی اشعه ایکس نرم (SIX) NSLS-II ، تیم با استفاده از پراکندگی اشعه ایکس الاستیک رزونانس (RIXS) نقاط با اتم های اکسیژن از دست رفته را شناسایی کرد. چنین جای خالی اکسیژن نقصی است که می تواند انرژی را از کیوبیت ها جذب کند.

در CFN ، تیم مورفولوژی فیلم را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری و میکروسکوپ نیروی اتمی تجسم کردند و ترکیب شیمیایی محلی نزدیک سطح فیلم را با استفاده از طیف سنجی اتلاف انرژی الکترون مشخص کردند.

“سوئون هوانگ” ، یکی از محققان گروه میکروسکوپ الکترونی CFN ، توضیح می دهد: “تصاویر میکروسکوپ دانه هایی را نشان داد – قطعاتی از کریستال های جداگانه با اتم هایی که در جهت یکسانی قرار گرفته اند – که بسته به تکنیک پاشش ، بزرگتر یا کوچکتر بودند.” “هرچه دانه ها کوچکتر باشند ، مرزها یا سطوح دانه ای بیشتر که جهت های مختلف بلوری در آن به هم می رسند بیشتر است. با توجه به طیف اتلاف انرژی الکترون ، یک فیلم نه تنها در سطح ، بلکه در خود فیلم نیز اکسید داشت و اکسیژن در مرز دانه پخش می شد. “

نتایج تجربی آنها در CFN و NSLS-II همبستگی بین زمان آرامش کیوبیت و تعداد و عرض مرز دانه و غلظت زیر اکسیدهای نزدیک سطح را نشان داد.

مرز دانه ها نقایصی هستند که می توانند انرژی را از بین ببرند. بنابراین اگر تعداد زیادی از آنها بتوانند در انتقال الکترون و در نتیجه توانایی کیوبیت ها برای انجام محاسبات اختلال ایجاد کنند ، “پرمکومار گفت. “کیفیت اکسید یکی دیگر از مهمترین پارامترهای مهم است. زیر اکسیدها بد هستند زیرا الکترونها با خوشحالی به هم متصل نیستند. “

در آینده ، تیم همکاری خود را برای بهبود انسجام کیوبیت از طریق C. فهمیدن2کنترل کیفیت. یک جهت تحقیق این است که آیا زمان آرامش را می توان با بهینه سازی فرایندهای تولید برای تولید فیلم هایی با اندازه دانه بزرگتر (یعنی حداقل مرز دانه) و یک حالت اکسیداسیون بهبود بخشید. آنها همچنین ابررساناهای دیگر از جمله تانتالوم را که اکسیدهای سطحی آنها از نظر شیمیایی یکنواخت تر است ، مورد مطالعه قرار خواهند داد.

پرمکومار گفت: “از این مطالعه ، ما در حال حاضر نقشه ای برای چگونگی همکاری دانشمندان سازنده کیوبیت و دانشمندانی که آنها را مشخص می کنند ، برای درک مکانیسم های میکروسکوپی که عملکرد کیوبیت را محدود می کند ، داریم.” “ما امیدواریم که گروه های دیگر از رویکرد مشترک ما برای پیشبرد زمینه کیوبیت های ابررسانا استفاده کنند.”

این کار توسط دفتر علوم DOE ، فلوشیپ تحقیقات فارغ التحصیل بنیاد ملی علوم ، بنیاد هومبولت ، فلوشیپ فارغ التحصیلان علوم و مهندسی دفاع ملی ، مرکز علوم و مهندسی تحقیقات مواد و دفتر تحقیقات ارتش پشتیبانی می شود. این تحقیق از منابع میکروسکوپ الکترونی ، کاوشگرهای پروگزیمال و امکانات نظری و محاسباتی CFN ، یک مرکز تحقیقاتی DOE برای مقیاس های نانو استفاده کرد. خط پرتو SST-2 در NSLS-II توسط موسسه ملی استاندارد و فناوری اداره می شود.

آزمایشگاه ملی بروکهاون توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین تأمین کننده اصلی تحقیقات بنیادی در علوم فیزیکی در ایالات متحده است که برای حل برخی از فوری ترین چالش های زمان ما تلاش می کند. اطلاعات بیشتر را می توانید در https://energy.gov/science پیدا کنید.

BrookhavenLab را دنبال کنید توییتر یا ما را در فیس بوک پیدا کنید