Framstilling av en framtidig kvantedatamaskin med nanodiamanter som kvanteregister og et lesehode basert på grafén. (Foto: Christoph Hohmann/Nanosystems Initiative Munich)

Bruker nanodiamanter og grafén

Gjennombrudd på veien mot kvantedatamaskiner.

Forskere ved Technische Universität München (TUM) og Institut de Ciencies Fotoniques (ICFO), like ved Barcelona, har oppnådd noe de mener kan være et viktig skritt på veien mot effektive kvantedatamaskiner. Gjennombruddet omfatter relativt nye byggesteiner, som nanometerstore diamanter og supermaterialet grafén.

Bakgrunn

Ideelt består begge de to materialene kun av karbonmolekyler. Men alle naturlige diamanter har urenheter. De fleste av disse urenhetene består ifølge TUM av et nitrogenatom og en «vacancy», en ledig plass i krystallstrukturen. Dette mener forskerne at kan brukes som både svært følsomme sensorer og som registerkomponenter i kvantedatamaskiner. Informasjon kan lagres optisk i disse «nitrogen-vacancy»-sentrene, men det har til nå ikke vært mulig å lese den lagrede informasjonen elektronisk.

Les også: Fantastiske muligheter i grafén

Gjennombruddet

Det er nettopp slik elektronisk avlesning av informasjonen som de tyske og spanske forskergruppene nå har fått til, ved å overføre energi direkte fra de nevnte sentrene i nanodiamantene og over i et grafénlag som er plassert rett ved siden av.

Når man belyser en nanodiamant med laser, vil fotoner fra lyset få ett av nitrogenatomets elektroner til å eksitere til en høyere energitilstand.

Mellom to gullelektroder ligger det et grafénlag som nanodiamenten ligger oppå. Takket være grafénlaget kan man elektronisk lese av optisk informasjon fra diamanten.
Mellom to gullelektroder ligger det et grafénlag som nanodiamenten ligger oppå. Takket være grafénlaget kan man elektronisk lese av optisk informasjon fra diamanten. Bilde: Christian Hohmann / Nanosystems Initiative Munich

– Systemet bestående av det eksiterte elektronet og den forlatte grunntilstanden kan man anse som en dipol, sier Alexander Holleitner, fysikkprofessoren som leder TUM-teamet, en pressemelding.

– Denne dipolen forårsaker en annen dipol som består av et elektron og et tomrom i den nærliggende grafénlaget, forteller Holleitner. Grafénlaget ligger mellom to gulldioder som kan detektere ladningen og dermed lese av den optiske informasjonen elektronisk.

Selve avlesningsteknologien er svært raskt. Målingene kan gjøres i løpet av noen picosekunder (billiondels sekund). Det er nødvendig, fordi de elektron-vacancy-parene forsvinner igjen etter kort tid, noen få milliarddeler av et sekund.

Laboratorieoppsett for måling av samhandlingen mellom grafén og nanodiamanter med implanterte nitrogen-vacancy-sentre.
Laboratorieoppsett for måling av samhandlingen mellom grafén og nanodiamanter med implanterte nitrogen-vacancy-sentre. Bilde: Astrid Eckert/TUM

Les også: Google lager kvanteprosessor

Framtidig bruk

Ifølge TUM er svitsjehastighetene til nanokretsene som forskerne har utviklet ekstremt høye. Dette skal ikke bare gjøre det mulig måle svært raske prosesser med sensorer basert på denne teknologien. Man mener også at sensorene kan åpne for klokkehastigheter i terahertz-området dersom de integreres i kvantedatamaskiner.

– I prinsippet bør teknologien vår også fungere med fargemolekyler, sier Andreas Brenneis, en doktorand som har vært med på å gjennomføre målingene.

– En diamant har omkring 500 urenheter, men metoden er så sensitiv at vi til og med bør kunne måle individuelle fargemolekyler sier Brenneis. Diamantene som brukes er omtrent 100 nanometer store.

Også forskere ved Universität Augsburg og Bayerischen Akademie der Wissenschaftens Walther-Meißner-Institut har bidratt til arbeidet som er finansiert med midler fra en rekke organisasjoner.

En vitenskapelig artikkel om arbeidet er utgitt i Nature Nanotechnology.

Til toppen