Trạng thái đặc biệt của vật chất trong các lớp chất bán dẫn có thể nâng cao tính toán lượng tử

Trong một nghiên cứu có thể mang lại lợi ích cho tính toán lượng tử , các nhà nghiên cứu cho thấy một siêu mạng được nhúng với các chấm nano có thể miễn nhiễm với việc tiêu tán năng lượng ra môi trường.

Các nhà khoa học trên thế giới đang phát triển phần cứng mới cho máy tính lượng tử, một loại thiết bị mới có thể đẩy nhanh quá trình thiết kế thuốc, mô hình tài chính và dự đoán thời tiết. Các máy tính này dựa trên qubit, các bit vật chất có thể biểu diễn đồng thời một số kết hợp của 1 và 0. Vấn đề là các qubit hay thay đổi, suy giảm thành các bit thông thường khi các tương tác với vật chất xung quanh gây trở ngại. Nhưng nghiên cứu mới tại MIT cho thấy một cách để bảo vệ trạng thái của chúng, sử dụng một hiện tượng gọi là bản địa hóa nhiều cơ thể (MBL).

MBL là một giai đoạn đặc biệt của vật chất, được đề xuất từ nhiều thập kỷ trước, không giống như chất rắn hay chất lỏng. Thông thường, vật chất đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt với môi trường của nó. Đó là lý do tại sao súp nguội và đá viên tan chảy. Nhưng trong MBL, một vật thể bao gồm nhiều vật thể tương tác mạnh, chẳng hạn như nguyên tử, không bao giờ đạt đến trạng thái cân bằng như vậy. Nhiệt, giống như âm thanh, bao gồm các dao động nguyên tử tập thể và có thể truyền theo sóng; bên trong một vật luôn có các sóng nhiệt như vậy. Nhưng khi có đủ rối loạn và đủ tương tác trong cách sắp xếp các nguyên tử của nó, các sóng có thể bị giữ lại, do đó ngăn cản vật thể đạt đến trạng thái cân bằng.

MBL đã được chứng minh trong “mạng tinh thể quang học”, sự sắp xếp của các nguyên tử ở nhiệt độ rất lạnh được giữ cố định bằng cách sử dụng tia laze. Nhưng những thiết lập như vậy là không thực tế. MBL cũng được cho là đã được hiển thị trong các hệ thống rắn, nhưng chỉ với động lực thời gian rất chậm, trong đó sự tồn tại của pha khó chứng minh vì có thể đạt được trạng thái cân bằng nếu các nhà nghiên cứu có thể đợi đủ lâu. Nghiên cứu của MIT đã tìm thấy các dấu hiệu của MBL trong một hệ thống “trạng thái rắn” – một hệ thống làm bằng chất bán dẫn – nếu không sẽ đạt đến trạng thái cân bằng trong thời gian nó được theo dõi.

Rahul Nandkishore, một nhà vật lý tại Đại học Colorado ở Boulder, người không tham gia vào công trình này, cho biết: “Nó có thể mở ra một chương mới trong nghiên cứu động lực lượng tử.

Mingda Li, Trợ lý Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân Norman C Rasmussen tại MIT, đã dẫn đầu nghiên cứu mới, được công bố trên tạp chí Nano Letters gần đây. Các nhà nghiên cứu đã xây dựng một hệ thống chứa các lớp bán dẫn xen kẽ nhau, tạo ra một lớp lasagna – nhôm arsenide cực nhỏ, tiếp theo là gallium arsenide, v.v., cho 600 lớp, mỗi lớp dày 3 nanomet (phần triệu milimet). Giữa các lớp, chúng phân tán “các chấm nano”, các hạt erbium arsenide 2 nanomet, để tạo ra sự hỗn loạn. Lasagna, hay “siêu mạng”, có ba công thức: một công thức không có đốm nano, một trong đó các đốm nano bao phủ 8% diện tích của mỗi lớp và một trong đó chúng bao phủ 25%.

Theo Li, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các lớp vật liệu, thay vì vật liệu khối, để đơn giản hóa hệ thống sao cho sự tản nhiệt trên các mặt phẳng về cơ bản là một chiều. Và họ đã sử dụng các chấm nano, thay vì các tạp chất hóa học đơn thuần, để gây rối loạn.

Để đo lường liệu các hệ thống rối loạn này có còn ở trạng thái cân bằng hay không, các nhà nghiên cứu đã đo chúng bằng tia X. Sử dụng Nguồn Photon Nâng cao tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, họ bắn chùm bức xạ ở năng lượng hơn 20.000 electron vôn, và để giải quyết sự chênh lệch năng lượng giữa tia X tới và sau khi nó phản xạ ra khỏi bề mặt mẫu, với độ phân giải năng lượng nhỏ hơn một phần nghìn vôn electron. Để tránh xuyên qua siêu mạng và va vào lớp nền bên dưới, họ bắn nó theo góc chỉ nửa độ so với song song.

Cũng giống như ánh sáng có thể được đo dưới dạng sóng hoặc hạt, cũng có thể phát nhiệt. Dao động chung của nguyên tử đối với nhiệt dưới dạng một đơn vị mang nhiệt được gọi là phonon. Tia X tương tác với các phonon này, và bằng cách đo cách tia X phản xạ khỏi mẫu, các nhà thí nghiệm có thể xác định xem nó có ở trạng thái cân bằng hay không.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng khi siêu mạng lạnh – 30 kelvin, khoảng -400 độ F – và nó chứa các điểm nano, các phonon của nó ở một số tần số nhất định vẫn không ở trạng thái cân bằng.

Còn nhiều công việc nữa để chứng minh một cách chắc chắn rằng MBL đã đạt được, nhưng “giai đoạn lượng tử mới này có thể mở ra một nền tảng hoàn toàn mới để khám phá các hiện tượng lượng tử,” Li nói, “với nhiều ứng dụng tiềm năng, từ lưu trữ nhiệt đến tính toán lượng tử.”

Để tạo ra qubit, một số máy tính lượng tử sử dụng các hạt vật chất gọi là chấm lượng tử. Li cho biết các chấm lượng tử tương tự như các chấm nano của Li có thể hoạt động như qubit. Nam châm có thể đọc hoặc viết các trạng thái lượng tử của chúng, trong khi việc định vị nhiều cơ thể sẽ giúp chúng cách nhiệt với nhiệt và các yếu tố môi trường khác.

Về mặt lưu trữ nhiệt, một siêu mạng như vậy có thể chuyển vào và ra khỏi pha MBL bằng cách điều khiển từ tính các điểm nano. Nó có thể cách ly các bộ phận máy tính khỏi nhiệt tại một thời điểm, sau đó cho phép các bộ phận phân tán nhiệt khi nó không gây hư hỏng. Hoặc nó có thể cho phép nhiệt tích tụ và được khai thác sau này để tạo ra điện.

Một cách thuận tiện, siêu kết tụ với các đốm nano có thể được tạo ra bằng cách sử dụng các kỹ thuật truyền thống để chế tạo chất bán dẫn, cùng với các phần tử khác của chip máy tính. Theo Li, “Đó là một không gian thiết kế lớn hơn nhiều so với việc pha tạp hóa học, và có rất nhiều ứng dụng.”

Immanuel Bloch, giám đốc khoa học tại Viện Quang học Lượng tử Max-Planck, cho biết: “Tôi rất vui khi thấy rằng các chữ ký của MBL giờ đây cũng có thể được tìm thấy trong các hệ thống vật liệu thực. “Tôi tin rằng điều này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các điều kiện mà MBL có thể được quan sát trong các hệ nhiều cơ lượng tử khác nhau và khả năng kết hợp với môi trường ảnh hưởng như thế nào đến sự ổn định của hệ thống. Đây là những câu hỏi cơ bản và quan trọng và thí nghiệm MIT là một bước quan trọng giúp chúng tôi trả lời chúng ”.

Tham khảo: “Chữ ký của bản địa hóa nhiều cơ thể của Phonon trong các siêu tụ tinh bị rối loạn mạnh” của Thanh Nguyen, Nina Andrejevic, Hoi Chun Po, Qichen Song, Yoichiro Tsurimaki, Nathan C. Drucker, Ahmet Alatas, Esen E. Alp, Bogdan M. Leu , Alessandro Cunsolo, Yong Q. Cai, Lijun Wu, Joseph A. Garlow, Yimei Zhu, Hong Lu, Arthur C. Gossard, Alexander A. Puretzky, David B. Geohegan, Shengxi Huang và Mingda Li, ngày 27 tháng 7 năm 2021, Nano Letters .
DOI: 10.1021 / acs.nanolett.1c01905

Tài trợ được cung cấp bởi Chương trình Phân tán Nơtron của Chương trình Khoa học Năng lượng Cơ bản của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

Theo Scitechdaily