Quantum Transport Goes Ballistic

IBM-wetenschapper Johannes Gooth houdt zich bezig met elektronica op nanoschaal en kwantum natuurkunde.

Vandaag gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Nano Letters, hebben IBM-wetenschappers voor het eerst een elektron door een III-V halfgeleider-nanodraad geschoten die op silicium is geïntegreerd. Deze prestatie vormt de basis voor geavanceerde kwantumdraadapparaten voor toekomstige geïntegreerde schakelingen die worden gebruikt in geavanceerde krachtige rekensystemen.

IBM-wetenschapper en hoofdauteur van het artikel Dr. Johannes Gooth legt het artikel uit in deze Q&A.

De titel van uw artikel is Ballistische eendimensionale InAs-nanowire cross-junction-interconnects. Als ik 'ballistische' lees, denk ik aan nogal grote raketten, maar hier doe je dit op nanoschaal. Kun je iets vertellen over de uitdagingen die dit met zich meebrengt?

Johannes Gooth (JG): Ja, dit lijkt erg op elkaar, maar natuurlijk op een heel andere schaal. Elektronen worden afgevuurd vanaf één contactelektrode en vliegen door de nanodraad zonder te worden verstrooid totdat ze de tegenoverliggende elektrode raken. De nanodraad fungeert als een perfecte gids voor elektronen, zodat de volledige kwantuminformatie van dit elektron  (energie, momentum, spin) zonder verlies kan worden overgedragen.

Dat kunnen we nu in cross-junctions, waardoor we elektronenpijpnetwerken kunnen opbouwen, waar quantuminformatie perfect door kan worden gestuurd. De uitdaging is om een ​​geometrisch zeer goed gedefinieerd materiaal te fabriceren zonder verstrooiers op nanoschaal. Het sjabloonondersteunde selectieve epitaxie- of TASE-proces, dat hier in het IBM Zurich Lab door mijn collega's is ontwikkeld, maakt dit voor het eerst mogelijk.

Hoe verhoudt dit onderzoek zich tot andere activiteiten die elders plaatsvinden?

JG: Het belangrijkste is dat de techniek vergeleken met optische en supergeleidende kwantumtoepassingen schaalbaar is en compatibel is met standaard elektronica en CMOS-processen.

Welke rol ziet u voor kwantumtransport bij het bouwen van een universele kwantumcomputer?

JG: Ik zie kwantumtransport als een essentieel onderdeel. Als je de volledige kracht van kwantuminformatietechnologie wilt benutten, moet je alles ballistisch verbinden:een kwantumsysteem dat volledig ballistisch (kwantum) verbonden is, heeft een exponentieel grotere computationele toestandsruimte in vergelijking met klassiek verbonden systemen.

Zoals hierboven vermeld, is de elektronica ook schaalbaar. Bovendien maakt het combineren van onze nanodraadstructuren met supergeleiders topologisch beschermde kwantumcomputers mogelijk, wat fouttolerante berekeningen mogelijk maakt. Dit zijn grote voordelen ten opzichte van andere technieken.

Hoe gemakkelijk kan dit worden vervaardigd met behulp van bestaande processen en wat is de volgende stap?

JG: Dit is een groot voordeel van onze techniek omdat onze apparaten volledig zijn geïntegreerd in bestaande CMOS-processen en -technologie.

Wat volgt er voor uw onderzoek?

JG: De volgende stappen zullen de functionalisering van de kruisen zijn, door middel van het bevestigen van elektronische quantumcomputeronderdelen. We zullen beginnen met het bouwen van supergeleidende/nanodraad hybride apparaten voor Majorana-vlechten en kwantumdots bevestigen.

Universele kwantumcomputer, we komen eraan.