Effektive Mängel für Quantencomputer

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Quantencomputer können den nächsten großen Paradigmenwechsel in der Technik darstellen. Theoretisch könnten solche Computer schnellere und komplexere Berechnungen mit einem Bruchteil der Energie durchführen. Jedoch in der Praxis ist einen Quantencomputer zu bauen eine sehr knifflige technische Herausforderung.

Auf atomarer Ebene Verhalten Partikel nicht in einer Weise, die man aus den Gesetzen der klassischen Physik erwarten würde. Laut die Heisenbergsche Unschärferelation ist es unmöglich, die Geschwindigkeit und die Position eines Teilchens zu jedem Zeitpunkt genau zu bestimmen. Stattdessen zeichnen sich Partikel durch eine Wellenfunktion, die eine Wahrscheinlichkeit darstellt, die das Teilchen in einem bestimmten körperlichen Zustand sein wird.

Quanten-computing

Quanten-computing, anstelle von 0en und 1en wird Information kodiert, die Wellenfunktion und den unendlichen Variationen, die in das Spektrum der Welle möglich sind.

"Sie haben viel mehr Flexibilität bei der Festlegung der Werte der Dinge, die Sie berechnen," sagte Chris Van de Walle, als Professor an der University of California, Santa Barbara, potenzielle Quantensysteme studiert. "Sie hätten kontinuierlichen Wert, der in der Wellenfunktion des irgendein Wesen codiert ist, mit dem Sie jetzt als die Grundeinheit des computing."

Wenn es far-out klingt, ist es. Quanten-Bits sind eine grundlegende Einheit der Informationen, die entweder eine 1 oder 0 und in Quanten-computing, ein Qubit darstellen kann 1 und 0 gleichzeitig. Im letzten Jahrzehnt haben die Forscher verschiedene Möglichkeiten der Gestaltung einer praktischen Umsetzung ein Quantum Bit (oder Qubit) untersucht. Keiner ist kurz vor dem Abschluss.

"Wenn Sie solche Qubits einfallen und sie in die computing-Architektur integrieren, es theoretisch nachgewiesen wurde, dass Sie Probleme lösen können rechnerisch, die derzeit nicht umsetzbar sind," sagte Van de Walle. "Die große Herausforderung ist zu kommen mit spezifischen Implementierungen von diesen Qubits." "

Vielversprechende Partikel

Eine der vielversprechendsten Implementationen beinhaltet einen Defekt in Diamanten, die zu einem fehlenden Kohlenstoff in das Material Matrix, mit einem Schurken Stickstoffatom befindet sich in der Nähe führt. Diese veränderten Struktur schafft ein Loch oder eine Vakanz – rief eine NV (Stickstoff Vakanz)-Center – mit einer bestimmten Wellenfunktion, die viele glauben für Quanten-computing effektiv manipuliert werden können.

Mängel sind in der Industrie eine Negative. Aber geht es um Materialien für Quantencomputer, es ist der Mangel, der Berechnung ermöglicht.

"Der Mangel ist eigentlich ein guter Schauspieler", sagte Van de Walle. "Es ist das Qubit, das Sie als Ihre Einheit der Berechnung verwenden möchten."

Diamantenzentrum

Der größte Vorteil der NV-Zentren in Diamanten ist ihre Fähigkeit, die bei Raumtemperatur arbeiten, anstatt erfordern in der Nähe des absoluten Nullpunkt Temperaturen als andere Quantum computing-Systemen tun. Elektronen im NV Center auch schon seit längerem kohärent bleiben können und von äußeren Kräften manipuliert werden.

"Sie können steuern, wo die Vakanz in der Kristall gebildet wird und Sie können es sehr genau mit Laserstrahlen mit einer bestimmten Wellenlänge Sonde" Van de Walle, sagte.

Van de Walle, Experte für Defekte und Verunreinigungen, arbeitet eng mit David Awschalom, ein Experimentator an der UC Santa Barbara und Quanten-computing-Experte, auf der atomaren Ebene Dynamik des Diamond Center verfügbar zu machen. Van de Walle rechnerischen Simulationen auf der National Science Foundation unterstützt Ranger Supercomputer am Texas Advanced Computing Center abgestimmt Versuchsergebnisse für die NV-Center.

Geladenen defekt

Die Simulationen haben auch ein paar wichtige Stücke von Informationen über das NV-Center hinzugefügt. Insbesondere fanden sie, dass der Defekt Ladezustand eine entscheidende Rolle spielt bei der Erreichung einer nutzbaren Wellenlänge. Dies bedeutet, dass man Steuern muss materielle doping zur Steuerung der Anzahl der Elektronen, die ein Stellenangebot eingeben können.

"Für NV-Zentren in Diamanten, der optimalen Ladezustand ist ein negativer Zustand einer Ladung," sagte Van de Walle. "Für Mängel aus anderen Materialien, kann es sein, einen unterschiedlichen Ladezustand und nur durch den Ladezustand zu raten, Sie wäre nicht in der Lage zu wissen, ob es eine gute Wahl ist." Aber das ist was wir berechnen können."

Simulation der Quantum mechanische Wechselwirkungen von Hunderten von Atomen erfordert Tausende von Computer-Prozessoren arbeiten im Tandem für Tage. "Ohne die Fähigkeit, auf Texas Advanced Computing Center Supercomputern laufen, würde einfach nicht gelungen, dieses Projekt zu tun", sagte Van de Walle.

Die High-Fidelity-Quantensimulationen schaffen Vertrauen unter den Forschern experimentelle Mitarbeiter und neue Ideen für Laborversuche.

"Die Fähigkeit, unsere Expertise im Bereich der Mängel zu nehmen und es kreativ zu nutzen, um Defekte mit bestimmten Eigenschaften zu entwerfen ist wirklich toll", sagte Van de Walle. "Es ist spannend zu untersuchen, was wir wissen über Mängel und nutzen dieses Wissen um einen Defekt mit einer bestimmten Eigenschaft zu konstruieren dürfen."

Anmerkung der Redaktion: Dargestellt, die Forscher in Behind the Scenes Artikel von der National Science Foundation, der Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik unterstützt wurden. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Siehe die hinter den Kulissen Archiv.