Nhóm nghiên cứu mở ra con đường bí mật dẫn đến một tương lai lượng tử tươi sáng

Chìa khóa nghiên cứu do Berkeley Lab đứng đầu về công nghệ và máy tính lượng tử thế hệ tiếp theo.

Năm 1998, các nhà nghiên cứu bao gồm Mark Kubinec của UC Berkeley đã thực hiện một trong những phép tính lượng tử đơn giản đầu tiên sử dụng các phân tử riêng lẻ. Họ sử dụng các xung sóng vô tuyến để lật các spin của hai hạt nhân trong một phân tử, với hướng “lên” hoặc “xuống” của mỗi spin lưu trữ thông tin theo cách mà trạng thái “0” hoặc “1” lưu trữ thông tin trong một bit dữ liệu cổ điển. . Trong những ngày đầu tiên của máy tính lượng tử, định hướng kết hợp của hai hạt nhân – tức là trạng thái lượng tử của phân tử – chỉ có thể được duy trì trong những khoảng thời gian ngắn trong môi trường được điều chỉnh đặc biệt. Nói cách khác, hệ thống nhanh chóng mất đi tính liên kết. Kiểm soát tính liên kết lượng tử là bước còn thiếu để xây dựng máy tính lượng tử có thể mở rộng.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu đang phát triển những con đường mới để tạo ra và bảo vệ sự kết hợp lượng tử. Làm như vậy sẽ cho phép các thiết bị đo lường và xử lý thông tin cực kỳ nhạy bén hoạt động ở môi trường xung quanh hoặc thậm chí các điều kiện khắc nghiệt. Vào năm 2018, Joel Moore, một nhà khoa học cấp cao tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) và giáo sư tại Đại học UC Berkeley, đã bảo đảm quỹ từ Bộ Năng lượng để thành lập và lãnh đạo Trung tâm Nghiên cứu Biên giới Năng lượng (EFRC) – được gọi là Trung tâm Tiểu thuyết Con đường dẫn đến sự gắn kết lượng tử trong vật liệu (NPQC) – để tiếp tục những nỗ lực đó. Moore cho biết: “EFRC là một công cụ quan trọng của DOE để cho phép hợp tác giữa các tổ chức tập trung nhằm đạt được tiến bộ nhanh chóng về các vấn đề khoa học hàng đầu nằm ngoài phạm vi của các nhà điều tra cá nhân.

Thông qua NPQC, các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Berkeley, UC Berkeley, UC Santa Barbara, Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, và Đại học Columbia đang dẫn đầu cách hiểu và vận dụng sự gắn kết trong nhiều hệ thống trạng thái rắn khác nhau. Cách tiếp cận ba lần của họ tập trung vào việc phát triển các nền tảng mới cho cảm giác lượng tử; thiết kế vật liệu hai chiều chứa các trạng thái lượng tử phức tạp; và khám phá các cách để kiểm soát chính xác các đặc tính điện tử và từ tính của vật liệu thông qua các quá trình lượng tử. Giải pháp cho những vấn đề này nằm trong cộng đồng khoa học vật liệu. Việc phát triển khả năng vận dụng mạch lạc trong môi trường thực tế đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các vật liệu có thể cung cấp các công nghệ bit lượng tử (hoặc “qubit”), cảm biến hoặc quang học thay thế.

Những khám phá cơ bản làm nền tảng cho những phát triển tiếp theo sẽ đóng góp vào các khoản đầu tư khác của DOE trong Văn phòng Khoa học. Khi chương trình bước sang năm thứ tư, một số đột phá đang đặt nền tảng khoa học cho những đổi mới trong khoa học thông tin lượng tử.

Nhiều khiếm khuyết hơn, nhiều cơ hội hơn

Cho đến nay, nhiều thành tựu của NPQC tập trung vào các nền tảng lượng tử dựa trên những sai sót cụ thể trong cấu trúc của vật liệu được gọi là khuyết tật spin. Một khuyết tật spin trong nền tinh thể bên phải có thể đạt đến sự kết hợp lượng tử hoàn hảo, đồng thời sở hữu độ bền và chức năng được cải thiện đáng kể.

Những điểm không hoàn hảo này có thể được sử dụng để tạo ra các bệ cảm biến có độ chính xác cao. Mỗi khuyết tật spin phản ứng với những biến động cực kỳ tinh vi trong môi trường; và tập hợp các khuyết tật mạch lạc có thể đạt được độ chính xác và độ chính xác chưa từng có. Nhưng hiểu được sự gắn kết phát triển như thế nào trong một hệ thống gồm nhiều vòng quay, nơi tất cả các vòng quay tương tác với nhau, là điều khó khăn. Để đáp ứng thách thức này, các nhà nghiên cứu NPQC đang chuyển sang một loại vật liệu phổ biến lý tưởng cho việc cảm nhận lượng tử: kim cương.

Trong tự nhiên, mỗi nguyên tử cacbon trong cấu trúc tinh thể của kim cương kết nối với bốn nguyên tử cacbon khác. Khi một nguyên tử cacbon được thay thế bằng một nguyên tử khác hoặc bị loại bỏ hoàn toàn, điều này thường xảy ra khi cấu trúc tinh thể của kim cương hình thành, khuyết tật tạo thành đôi khi có thể hoạt động giống như một hệ nguyên tử có spin xác định rõ – một dạng nội tại của mômen động lượng được thực hiện bởi electron hoặc các hạt hạ nguyên tử khác. Cũng giống như những hạt này, một số khuyết tật nhất định trong kim cương có thể có định hướng hoặc phân cực, đó là “spin-up” hoặc “spin-down”.

Bằng cách chế tạo nhiều khuyết tật spin khác nhau thành một mạng kim cương, Norman Yao, một nhà khoa học tại Berkeley Lab và là trợ lý giáo sư vật lý tại UC Berkeley, và các đồng nghiệp của ông đã tạo ra một hệ thống 3D với các spin phân tán khắp khối. Trong hệ thống đó, các nhà nghiên cứu đã phát triển một cách để thăm dò “chuyển động” của sự phân cực spin ở các quy mô chiều dài cực nhỏ.

Sử dụng kết hợp các kỹ thuật đo lường, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng spin chuyển động xung quanh trong hệ thống cơ lượng tử gần giống như cách mà thuốc nhuộm chuyển động trong chất lỏng. Học từ thuốc nhuộm hóa ra là một con đường thành công để hiểu được sự kết hợp lượng tử, như được công bố gần đây trên tạp chí Nature . Không chỉ hành vi xuất hiện của spin cung cấp một khuôn khổ cổ điển mạnh mẽ để hiểu động lực học lượng tử, mà hệ thống đa khuyết tật cung cấp một nền tảng thử nghiệm để khám phá cách hoạt động của sự gắn kết. Moore, giám đốc NPQC và là thành viên của nhóm trước đây đã nghiên cứu các loại động lực lượng tử khác, đã mô tả nền tảng NPQC là “một ví dụ duy nhất có thể kiểm soát được về tác động qua lại giữa rối loạn, tương tác lưỡng cực trong khoảng thời gian dài giữa các vòng quay và sự kết hợp lượng tử”.

Thời gian gắn kết của các khuyết tật quay đó phụ thuộc nhiều vào môi trường xung quanh chúng ngay lập tức. Nhiều đột phá của NPQC tập trung vào việc tạo và lập bản đồ độ nhạy biến dạng trong cấu trúc xung quanh các khuyết tật riêng lẻ trong kim cương và các vật liệu khác. Làm như vậy có thể tiết lộ cách tốt nhất để thiết kế các khiếm khuyết có thời gian gắn kết lâu nhất có thể trong vật liệu 3D và 2D. Nhưng chính xác thì những thay đổi do lực tác động lên vật liệu có thể tương quan với những thay đổi về tính liên kết của khuyết tật như thế nào?

Để tìm ra nguyên nhân, các nhà nghiên cứu NPQC đang phát triển một kỹ thuật tạo ra các vùng biến dạng trong tinh thể chủ và đo độ căng. Martin Holt, trưởng nhóm nghiên cứu về kính hiển vi điện tử và tia X tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne và là nhà điều tra chính cho biết: “Nếu bạn nghĩ về các nguyên tử trong một mạng tinh thể dưới dạng lò xo hộp, bạn sẽ nhận được các kết quả khác nhau tùy thuộc vào cách bạn ấn vào chúng. với NPQC. Sử dụng Nguồn Photon nâng cao và Trung tâm Vật liệu kích thước nano, cả hai cơ sở cho người dùng tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, ông và các đồng nghiệp của mình cung cấp hình ảnh trực tiếp về các khu vực bị biến dạng trong tinh thể chủ. Cho đến nay, định hướng của một khuyết tật trong một mẫu hầu hết là ngẫu nhiên. Hình ảnh tiết lộ hướng nào là nhạy nhất, cung cấp một con đường đầy hứa hẹn cho cảm biến lượng tử áp suất cao.

“Thật sự rất đẹp khi bạn có thể lấy một thứ như kim cương và mang lại tiện ích cho nó. Có một cái gì đó đủ đơn giản để hiểu vật lý cơ bản nhưng cũng có thể vận dụng đủ để thực hiện vật lý phức tạp là điều tuyệt vời, ”Holt nói.

Một mục tiêu khác của nghiên cứu này là khả năng chuyển một trạng thái lượng tử, giống như trạng thái khiếm khuyết trong kim cương, một cách mạch lạc từ điểm này sang điểm khác bằng cách sử dụng các electron. Nghiên cứu của các nhà khoa học NPQC tại Phòng thí nghiệm Berkeley và Phòng thí nghiệm Argonne nghiên cứu các dây lượng tử đặc biệt xuất hiện trong các lớp nguyên tử mỏng của một số vật liệu. Hiện tượng siêu dẫn đã được phát hiện một cách bất ngờ trong một hệ thống như vậy, một lớp ba tấm carbon, do nhóm do Feng Wang, nhà khoa học cấp cao của Khoa Berkeley Lab và giáo sư UC Berkeley dẫn đầu, đồng thời là người lãnh đạo nỗ lực của NPQC về vật liệu mỏng nguyên tử. Về công trình này, được xuất bản trên tạp chí Nature vào năm 2019, Wang cho biết, “Thực tế là cùng một vật liệu có thể cung cấp cả khả năng dẫn điện một chiều và siêu dẫn được bảo vệ, mở ra một số khả năng mới để bảo vệ và chuyển giao liên kết lượng tử.”

Hướng tới các thiết bị hữu ích

Hệ thống đa khuyết tật không chỉ quan trọng như kiến thức khoa học nền tảng. Chúng cũng có tiềm năng trở thành công nghệ biến đổi. Trong vật liệu hai chiều mới lạ đang mở đường cho thiết bị điện tử cực nhanh và cảm biến siêu ổn định, các nhà nghiên cứu của NPQC nghiên cứu cách sử dụng các khuyết tật spin để kiểm soát các tính chất điện tử và từ tính của vật liệu. Những phát hiện gần đây đã cung cấp một số bất ngờ.

“Sự hiểu biết cơ bản về các vật liệu từ tính ở kích thước nano và các ứng dụng của chúng trong spintronics đã dẫn đến một sự biến đổi to lớn trong các thiết bị lưu trữ và cảm biến từ tính. Khai thác tính liên kết lượng tử trong vật liệu từ tính có thể là bước nhảy vọt tiếp theo đối với thiết bị điện tử công suất thấp, ”Peter Fischer, nhà khoa học cấp cao và là phó bộ phận của Bộ phận Khoa học Vật liệu tại Phòng thí nghiệm Berkeley cho biết.

Tính chất từ của vật liệu phụ thuộc hoàn toàn vào sự liên kết của spin trong các nguyên tử liền kề. Không giống như các vòng quay được căn chỉnh gọn gàng trong một nam châm tủ lạnh điển hình hoặc các nam châm được sử dụng trong lưu trữ dữ liệu cổ điển, nam châm phản nam châm có các vòng quay liền kề hướng theo các hướng ngược nhau và triệt tiêu lẫn nhau một cách hiệu quả. Kết quả là, các nam châm phản lực không “hoạt động” từ tính và cực kỳ mạnh mẽ đối với các nhiễu động bên ngoài. Các nhà nghiên cứu từ lâu đã tìm cách sử dụng chúng trong các thiết bị điện tử dựa trên spin, nơi thông tin được vận chuyển bằng spin thay vì điện tích. Chìa khóa để làm như vậy là tìm ra cách điều khiển định hướng quay và duy trì sự mạch lạc.

Vào năm 2019, các nhà nghiên cứu NPQC dẫn đầu bởi James Analytis, một nhà khoa học tại Berkeley Lab và phó giáo sư vật lý tại UC Berkeley, với postdoc Eran Maniv, đã quan sát thấy rằng việc áp dụng một xung dòng điện nhỏ, đơn lẻ vào các mảnh nhỏ của một phản nam châm khiến các vòng quay xoay và “chuyển đổi” hướng của chúng. Do đó, các đặc tính của vật liệu có thể được điều chỉnh cực kỳ nhanh chóng và chính xác. Maniv nói: “Hiểu được vật lý đằng sau điều này sẽ đòi hỏi nhiều quan sát thực nghiệm hơn và một số mô hình lý thuyết. “Vật liệu mới có thể giúp tiết lộ cách thức hoạt động của nó. Đây là sự khởi đầu của một lĩnh vực nghiên cứu mới ”.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu đang làm việc để xác định cơ chế chính xác thúc đẩy chuyển đổi trong các vật liệu được chế tạo và đặc trưng tại Molecular Foundry, một cơ sở người dùng tại Berkeley Lab. Những phát hiện gần đây , được công bố trên tạp chí Science Advances and Nature Physics , cho thấy việc tinh chỉnh các khuyết tật trong vật liệu phân lớp có thể cung cấp một phương tiện đáng tin cậy để kiểm soát mô hình quay trong các nền tảng thiết bị mới. Moore, lãnh đạo NPQC cho biết: “Đây là một ví dụ đáng chú ý về việc có nhiều khuyết tật cho phép chúng ta ổn định cấu trúc từ tính có thể chuyển đổi.

Quay chuỗi mới

Trong năm hoạt động tiếp theo, NPQC sẽ xây dựng dựa trên tiến độ của năm nay. Các mục tiêu bao gồm khám phá cách nhiều khuyết tật tương tác trong vật liệu hai chiều và điều tra các loại cấu trúc một chiều mới có thể phát sinh. Các cấu trúc có chiều thấp hơn này có thể tự chứng minh là cảm biến để phát hiện các thuộc tính quy mô nhỏ nhất của vật liệu khác. Ngoài ra, việc tập trung vào cách dòng điện có thể điều khiển các đặc tính từ tính có nguồn gốc spin sẽ liên kết trực tiếp khoa học cơ bản với các công nghệ ứng dụng.

Tiến độ nhanh chóng trong các nhiệm vụ này đòi hỏi sự kết hợp của các kỹ thuật và chuyên môn chỉ có thể được tạo ra trong một khuôn khổ hợp tác rộng lớn. Holt nói: “Bạn không thể phát triển năng lực một cách cô lập. “NPQC cung cấp môi trường nghiên cứu năng động thúc đẩy khoa học và khai thác những gì mỗi phòng thí nghiệm hoặc cơ sở đang làm.” Trong khi đó, trung tâm nghiên cứu cung cấp một nền giáo dục độc đáo ở ranh giới của khoa học bao gồm các cơ hội phát triển lực lượng lao động khoa học sẽ dẫn đầu ngành công nghiệp lượng tử trong tương lai.

NPQC mang đến một bộ câu hỏi và mục tiêu mới để nghiên cứu vật lý cơ bản của vật liệu lượng tử. Moore nói, “Cơ học lượng tử điều chỉnh hành vi của các electron trong chất rắn, và hành vi này là cơ sở cho phần lớn công nghệ hiện đại mà chúng ta coi là đương nhiên. Nhưng hiện tại chúng ta đang ở giai đoạn đầu của cuộc cách mạng lượng tử thứ hai, nơi các thuộc tính như tính liên kết chiếm vị trí trung tâm và việc hiểu cách nâng cao các đặc tính này sẽ mở ra một loạt câu hỏi mới về vật liệu để chúng ta trả lời. “

Tham khảo: “Thủy động lực học nổi lên trong một quần thể spin lưỡng cực tương tác mạnh” của C. Zu, F. Machado, B. Ye, S. Choi, B. Kobrin, T. Mittiga, S. Hsieh, P. Bhattacharyya, M. Markham, D. Twitchen, A. Jarmola, D. Budker, CR Laumann, JE Moore và NY Yao, ngày 1 tháng 9 năm 2021, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-021-03763-1

Theo Scitechdaily