Jak zamienić wakat z węglika krzemu na informację kwantową?

„Wakat” to znak, który warto zobaczyć, szukając pokoju hotelowego podczas podróży. Jeśli chodzi o tematy ilościowe, wakaty są również czymś, co warto zobaczyć. Naukowcy tworzą je, usuwając atomy z materiałów krystalicznych. Takimi wakatami mogą być bity kwantowe lub kubity, podstawowa jednostka technologii kwantowej.

Naukowcy z amerykańskiego Departamentu Energii (DOE) Argonne National Laboratory i University of Chicago dokonali wyczynu, który pomoże utorować drogę do radykalnie lepszej kontroli nad tworzeniem wakatów w węglik krzemu, który jest półprzewodnikiem.

Półprzewodniki to materiał kryjący się za mózgami w telefonach komórkowych, komputerach, sprzęcie medycznym i nie tylko. W tych zastosowaniach defekty w skali atomowej w postaci wakatów są niepożądane, ponieważ mogą wpływać na wydajność. Według ostatnich badań pewne rodzaje wakatów w węgliku krzemu i innych półprzewodnikach dają nadzieję na realizację kubitów w urządzeniach kwantowych. Zastosowania kubitów mogą obejmować nieprzenikalne sieci komunikacyjne i bardzo czułe czujniki zdolne do wykrywania pojedynczych cząsteczek lub komórek. Możliwe jest również, że w przyszłości pojawią się nowe typy komputerów zdolne do rozwiązywania złożonych problemów poza zasięgiem komputerów klasycznych.

„Naukowcy już wiedzą, jak wytwarzać wakaty o wartościach kubitowych w półprzewodnikach, takich jak węglik krzemu i diament”, powiedziała Julia Galley, starszy naukowiec na Wydziale Nauki o Materiałach w Argonne i profesor inżynierii molekularnej i chemii na Uniwersytecie w Chicago. „Ale w przypadku praktycznych nowych zastosowań kwantowych nadal muszą dowiedzieć się więcej o tym, jak dostosować te wakaty za pomocą wymaganych funkcji”.

W półprzewodnikach z węglika krzemu poszczególne wakaty występują, gdy pojedynczy krzem jest usuwany i atomy węgla w sieci krystalicznej. Co ważne, wakat węglowy można powiązać z sąsiednim wakantem krzemowym. Ta podwójna funkcja, zwana dwuwakancją, jest głównym kandydatem na kubity z węglika krzemu. Problem polegał na tym, że zwrot z zamiany wakatów na wakaty był niski, o kilka procent. Naukowcy ścigają się, aby opracować sposób na zwiększenie tej wydajności.

„Aby stworzyć rzeczywiste defekty w próbce, wystrzeliwujesz w nią wiązkę szybkich elektronów, co eliminuje pojedyncze atomy” – wyjaśniła Elizabeth Lee, badaczka podoktorancka z UChicago Pritzker School of Molecular Engineering. „Ale to bombardowanie elektroniczne tworzy również niechciane wady”.

Naukowcy mogą naprawić te defekty, traktując próbkę w bardzo wysokich temperaturach, powyżej 1300 stopni Fahrenheita, i schładzając ją z powrotem do temperatury pokojowej. Sztuką jest opracowanie procesu, który zachowa pożądane defekty i wyleczy niepożądane defekty.

„Przeprowadzając Symulacja komputerowa Lee powiedział, że na poziomie atomowym za pomocą wysokowydajnych komputerów możemy obserwować powstawanie, przesuwanie się, znikanie i rotację defektów w próbce w czasie w różnych temperaturach. To jest coś, czego w tej chwili nie można zrobić eksperymentalnie.

Za pomocą zestawu wyrafinowanych narzędzi obliczeniowych symulacje zespołu śledziły łączenie poszczególnych wakatów z wartościami absolutnymi. Ich wysiłki przyniosły zbiór kluczowych odkryć, które powinny utorować drogę nowym urządzeniom kwantowym. Jednym z nich jest to, że im wyższa liczba wakatów krzemowych w porównaniu z wakatami węglowymi na początku obróbki cieplnej, tym wyższa liczba wakatów później. Innym jest określenie najlepszych temperatur do tworzenia stabilnych otoczek i zmiany ich orientacji w strukturze kryształu bez jej niszczenia.

Naukowcy mogą być w stanie wykorzystać najnowsze odkrycie, aby ustawić wszystkie diwy w tym samym kierunku. Byłoby to wysoce pożądane w zastosowaniach czujnikowych zdolnych do pracy z wielokrotnością rozdzielczości czujników prądu.

„Całkowicie nieoczekiwanym i ekscytującym odkryciem było to, że przygody mogą przekształcić się w zupełnie nowy rodzaj wada– dodał Lee. Te nowo odkryte defekty składają się z dwóch wolnych miejsc węglowych połączonych z miejscem, które naukowcy nazywają miejscem występowania przeciwciał. I to jest miejsce, w którym atom węgla wypełnia przestrzeń po usunięciu atomu krzemu.

Symulacje zespołu, pierwsze tego rodzaju, były możliwe dzięki opracowaniu nowych algorytmów symulacji i parowaniu kodów komputerowych opracowanych przez finansowane przez Departament Energii Zintegrowane Centrum Materiałów Obliczeniowych Midwest (MICCoM) z siedzibą w Argonie pod kierownictwem Galle. Nowe algorytmy, które opierają się na koncepcjach uczenia maszynowego, formy sztucznej inteligencji, zostały opracowane przez Juana de Pablo, głównego naukowca na Wydziale Inżynierii Materiałowej i profesora inżynierii molekularnej na Uniwersytecie w Chicago.

Formacja i ruch wakaty „Albo wady półprzewodników są tym, co nazywamy rzadkimi zdarzeniami” – powiedział de Pablo. Takie zdarzenia zachodzą w skalach czasowych zbyt długich, aby można je było badać w konwencjonalnych symulacjach molekularnych, nawet w najszybszych komputer na planecie. Niezwykle ważne jest, abyśmy opracowali nowe sposoby zwiększania występowania tych zdarzeń bez zmiany podstawowej fizyki. To właśnie robią nasze algorytmy. Sprawiają, że niemożliwe staje się możliwe”.

Lee połączył różne symbole, opierając się na pracy naukowców MICCoM Galley i de Pablo. Przez lata wielu innych naukowców było również zaangażowanych w łączenie kodu, w tym François Gigi z University of California, Davis i Jonathan Whitmer z University of Notre Dame. Rezultatem jest ważny i potężny nowy zestaw narzędzi, który łączy teorię kwantową i symulację w celu zbadania powstawania i zachowania wakatów. Miałoby to zastosowanie nie tylko do węglika krzemu, ale także do innych obiecujących materiałów kwantowych.

„Jesteśmy dopiero na początku” – powiedział Galle. „Chcemy móc szybciej wykonywać nasze obliczenia, symulować wiele defektów i identyfikować najlepsze defekty dla różnych zastosowań”.