Высококачественный кремний — одна из исторических основ современных вычислений. Но это также многообещающе для квантовых информационных технологий. В частности, электронные и ядерные спины в чистых кристаллах кремния показали отличные свойства как долгоживущие кубиты, эквивалент битов в обычных компьютерах.В статье, опубликованной на этой неделе в Nature Communications, Юн-Пил Шим и Чарльз Тахан из Университета Мэриленда и Лаборатории физических наук (в Колледж-Парке, кампус штата Мэриленд) показали, как сверхпроводящие кубиты и устройства могут быть построены из кремния. . Это потенциально может объединить хорошие квантовые свойства кремния и повсеместное распространение полупроводниковой технологии с гибкостью сверхпроводящих устройств.
Они предлагают использовать методы нанопроизводства «снизу вверх» для создания точно размещенных сверхпроводящих областей внутри кремния или германия и показывают, что такие «провода» могут использоваться для создания сверхпроводящих туннельных переходов и других полезных сверхпроводящих устройств.Кубиты в сверхпроводниках и полупроводникахСверхпроводящие схемы, сделанные из сверхпроводящих металлов и джозефсоновских туннельных переходов (которые позволяют сверхпроводящим электронным парам туннелировать между двумя сверхпроводниками), исключительно настраиваемы и могут производить устройства, начиная от датчиков магнитного поля и заканчивая классическими логическими схемами. Они также, вероятно, будут играть большую роль в обработке квантовой информации, где их можно использовать в качестве платформы для кубитов, крошечных квантовых систем, которые находятся в суперпозиции квантовых состояний.
Несколько типов сверхпроводящих схем были использованы для реализации кубитов и квантовых логических вентилей с различными свойствами и потенциальными применениями. Например, в одной цепи ток может течь в любом из двух направлений. Эти альтернативы составляют два наложенных друг на друга состояния, необходимых для создания кубита.
Эти два состояния могут быть помечены как «0» и «1» по аналогии с классическими битами. Микроволновые импульсы могут управлять переходами между двумя уровнями, что позволяет использовать квантовые логические элементы.В общем, квантовые системы являются хрупкими объектами и чувствительны к шуму и другим факторам окружающей среды, которые снижают производительность. Перспективные квантовые схемы должны защищать кубиты от внешнего вмешательства до тех пор, пока продолжается квантовый расчет.
Несмотря на быстрый прогресс в качестве сверхпроводящих кубитов (время жизни кубитов теперь может превышать 100 микросекунд), частота ошибок затвора кубита по-прежнему ограничена потерями в металлах, изоляторах, подложках и интерфейсах, составляющих гетерогенные сверхпроводящие устройства.Спиновые кубиты — это пример кубитов, реализованных в твердотельном кремниевом контексте. Спин — это квантовое свойство частиц, подобных электрону; физики часто думают о спине электрона как о небольшом магните, который, естественно, будет указывать в направлении приложенного магнитного поля.
Здесь состояния 0 и 1 соответствуют двум возможным ориентациям электронного спина: вверх или вниз. Поскольку в некоторых системах спин естественным образом отделен от заряда (это означает, что информация, хранящаяся в направлении вращения, не будет испорчена движением электрона или его сотрясением электрическим шумом), спиновые кубиты считаются многообещающими кандидатами на надежные кубит дизайн. Кроме того, использование эпитаксиальных полупроводниковых устройств и способность закапывать спиновые кубиты глубоко внутри полупроводниковой среды, вдали от шума на интерфейсах и поверхностях, привело к тому, что кубиты живут секунды или даже часы в некоторых ситуациях, намного дольше, чем сверхпроводящие. кубиты на сегодняшний день.Практические устройства
Шим и Тахан предлагают использовать лучшие свойства сверхпроводниковых и полупроводниковых кубитов. Они нацелены на создание сверхпроводящих проводов и переходов, из которых могут быть сделаны кубиты и сенсоры, путем размещения (или «легирования») акцепторных атомов (таких как бор или алюминий, элементы, которые легко принимают дополнительные электроны) в кремнии в точных областях внутри кристалла. . Они предполагают, что для этого можно использовать недавно разработанный в сообществе кремниевых кубитов метод «водородная литография СТМ».
Впервые разработанная Мишель Симмонс из Университета Нового Южного Уэльса, наконечник сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) используется для избирательного удаления атомов водорода с поверхности кремния (или германия). Затем может быть введен легирующий газ, такой как фосфин, что позволяет селективно размещать примеси до одного атомного узла. «Если акцепторные атомы могут быть размещены с достаточной плотностью на достаточном количестве слоев, тогда сверхпроводящие области могут быть изготовлены внутри кремния, а затем заключены в кристаллический кремний», — говорит д-р Шим.В некоторых попытках СТМ таким образом заменяли до одного из четырех атомов кремния.
И, как правило, чем выше плотность примеси, тем выше будет критическая температура сверхпроводимости.Ученые впервые узнали около 10 лет назад, что кремний можно сделать сверхпроводящим, если допировать до достаточной плотности акцепторными атомами, такими как бор. В последние годы качество таких сверхпроводящих кремниевых систем значительно улучшилось, давая материал с критическими температурами сверхпроводимости, приближающимися к 1 Кельвину, и при этом кристалл все еще остается в хорошем состоянии (другими словами, это все еще кремний).
Вычисляя свойства этих сверхпроводящих полупроводниковых областей, Шим и Тахан показывают, что провода с достаточной критической температурой могут быть построены практически с помощью восходящей водородной литографии. Они также показывают, что могут быть созданы джозефсоновские туннельные переходы и слабые связи, фундаментальная нелинейность, из которой могут быть построены сверхпроводящие цепи. Наконец, они показывают, что ранее продемонстрированные типы сверхпроводящих кубитов (видимые в металлических образцах) также могут быть сконструированы в этой кремниевой системе и обеспечивают геометрические требования, необходимые для изготовления.«Продолжаются попытки сделать туннельный барьер эпитаксиальным, чтобы улучшить его качество, — сказал Чарльз Тахан, — но никаких предыдущих работ по созданию всего устройства из единого полупроводникового кристалла нет.
Насколько нам известно, это первое предложение по этому вопросу. возможность использования кремния SC для джозефсоновских переходов и кубитов. Я также взволнован возможностями этих систем для других устройств, таких как датчики и детекторы частиц ».
Помимо возможности создания сверхпроводящих цепей внутри однородного кристалла кремния, подобные сверхпроводящие полупроводниковые устройства могут быть использованы для создания других типов экзотических квантовых систем многих тел в атомном масштабе и даже выступать в качестве испытательных площадок для нашего понимания сверхпроводимости. сам.