ייצוג אמן של מסלול היווצרות מתחמי פנויות עבור קיוביטים מבוססי ספין בסריג המארח סיליקון קרביד ומימין נוף האנרגיה הקשור. קרדיט: אוניברסיטת שיקגו
מדענים מאלפים סיביות קוונטיות בחומר מוליכים למחצה בשימוש נרחב
מחשבים קוונטיים, הממנפים את המאפיינים הייחודיים של קיוביטים, עולים על מערכות קלאסיות בכך שהם קיימים בו זמנית במספר מצבים. מחקר ממוקד על סיליקון קרביד שואף לייעל קוויביטים ליישום ניתן להרחבה, כאשר מחקרים חושפים שיטות חדשות לשלוט ולשפר את הביצועים שלהם. זה יכול להוביל לפריצות דרך בקנה מידה גדול מחשוב קוונטי וטכנולוגיות חיישנים.
יסודות מחשוב קוונטי
בעוד שמחשבים רגילים משתמשים בסיביות קלאסיות לחישובים, מחשבים קוונטיים משתמשים בסיביות קוונטיות, או קיוביטים, במקום זאת. בעוד שלביטים קלאסיים יכולים להיות הערכים 0 או 1, קיוביטים יכולים להתקיים בשילוב של הסתברויות של שני הערכים בו-זמנית. זה הופך את המחשוב הקוונטי לחזק ביותר עבור בעיות שמחשבים קונבנציונליים אינם טובים בפתרון. כדי לבנות מחשבים קוונטיים בקנה מידה גדול, החוקרים צריכים להבין כיצד ליצור ולשלוט בחומרים המתאימים לייצור בקנה מידה תעשייתי.
מוליכים למחצה הם חומרי קיוביט מבטיחים מאוד. מוליכים למחצה כבר מרכיבים את שבבי המחשב בטלפונים סלולריים, מחשבים, ציוד רפואי ויישומים אחרים. סוגים מסוימים של פגמים בקנה מידה אטומי, הנקראים מקומות פנויים, בסיליקון קרביד המוליך למחצה (SiC) מראים הבטחה כקיוביטים. עם זאת, למדענים יש הבנה מוגבלת כיצד ליצור ולשלוט בפגמים אלה. על ידי שימוש בשילוב של סימולציות ברמה אטומית, החוקרים הצליחו לעקוב אחר האופן שבו המשרות הפנויות הללו נוצרות ומתנהגות.
התקדמות בחומרים קוונטיים
מחשוב קוונטי יכול לחולל מהפכה ביכולת שלנו לענות על שאלות מאתגרות. מחשבים קוונטיים קיימים בקנה מידה קטן נתנו הצצה לכוחה של הטכנולוגיה. כדי לבנות ולפרוס מחשבים קוונטיים בקנה מידה גדול, החוקרים צריכים לדעת כיצד לשלוט בקיוביטים העשויים מחומרים שהגיוניים טכניים וכלכליים עבור התעשייה.
המחקר זיהה את היציבות והמסלולים המולקולריים כדי ליצור את המקומות הפנויים הרצויים עבור קיוביטים ולקבוע את התכונות האלקטרוניות שלהם.
התקדמות אלו יסייעו לתכנון וייצור של קיוביטים מבוססי ספין עם דיוק אטומי בחומרים מוליכים למחצה, ובסופו של דבר יאיץ את הפיתוח של מחשבי קוונטים וחיישנים קוונטיים בקנה מידה גדול מהדור הבא.
אתגרים בפיתוח מחשוב קוונטי
המהפכה הטכנולוגית הבאה במדעי המידע הקוונטי מחייבת חוקרים לפרוס מחשבים קוונטיים בקנה מידה גדול שבאופן אידיאלי יכולים לפעול בטמפרטורת החדר. מימוש ובקרה של קיוביטים בחומרים רלוונטיים תעשייתית הם המפתח להשגת מטרה זו.
בעבודה שדווחה כאן, חוקרים חקרו קיוביטים שנבנו ממקומות פנויים בסיליקון קרביד (SiC) בשיטות תיאורטיות שונות. עד כה, החוקרים ידעו מעט כיצד לשלוט ולהנדס את תהליך הגיבוש הסלקטיבי עבור המשרות הפנויות. אנרגיות המחסום הכרוכות בהגירה ושילוב של מקומות פנויים מציבים את האתגרים הקשים ביותר לתיאוריה ולסימולציות.
פריצות דרך בחקר המחשוב הקוונטי
במחקר זה, שילוב של הדמיות חומרים חדישות וטכניקת דגימה מבוססת רשתות עצביות הובילו חוקרים במרכז המערב התיכון לחומרים חישוביים (MICCoM) של משרד האנרגיה (DOE) לגלות את מנגנון היצירה האטומיסטי של קיוביטים מפגמי ספין במוליך למחצה רחב פס.
הצוות הראה את מנגנון היצירה של קיוביטים ב-SiC, מוליך למחצה מבטיח עם זמני קוהרנטיות ארוכים של קיוביט ויכולות אתחול וקריאה של ספין אופטי.
MICCoM הוא אחד ממרכזי DOE Computational Materials Sciences ברחבי הארץ, המפתח כלי תוכנה מתקדמים בקוד פתוח כדי לעזור לקהילה המדעית לדמות, לדמות ולחזות את המאפיינים וההתנהגות הבסיסיים של חומרים פונקציונליים. החוקרים המעורבים במחקר זה הם מהמעבדה הלאומית Argonne ו- אוניברסיטת שיקגו.
עבודה זו נתמכה על ידי משרד המדע של המחלקה לאנרגיה (DOE), המשרד למדעי האנרגיה הבסיסיים, מדעי החומרים וההנדסה והיא חלק מהתוכנית למדעי החומרים החישוביים במדעי האנרגיה הבסיסיים בפיזיקה תיאורטית של החומר המעובה. ההדמיות התובעניות מבחינה חישובית השתמשו במספר משאבי מחשוב בעלי ביצועים גבוהים: Bebop במרכז משאבי המחשוב של המעבדה הלאומית של Argonne; מתקן מחשוב המנהיגות של Argonne (ALCF), מתקן משתמש של משרד המדע של DOE; ומרכז מחשוב המחקר של אוניברסיטת שיקגו. הצוות קיבל גישה למשאבי מחשוב של ALCF באמצעות תוכנית ההשפעה החישובית החדשנית והחדשנית של DOE על תיאוריה וניסוי (INCITE). תמיכה נוספת ניתנה על ידי NIH.
