Uusi laboratorio hiilen kvanttipotentiaalin avaamiseksi

Tammikuun lopussa Empa avasi uuden laboratorion, joka pyrkii valjastamaan hiilen kvanttivaikutuksia. Tämä voisi tasoittaa tietä kestäville kvanttitekniikoille, mukaan lukien kvanttitietokoneet.

Turvalliset, tehokkaat ja kestävät hiileen perustuvat kvanttiteknologiat on CarboQuant -projektin visio. Ensimmäinen virstanpylväs, uusi korkean teknologian laboratorio vihittiin käyttöön 30. tammikuuta 2025.

Uuden laboratorion tutkimus keskittyy ensisijaisesti nanografeeneihin ja grafeeninanonauhoihin. Niiden rakenne voidaan määritellä tarkasti yhteen atomiin asti, mikä mahdollistaa erilaisten kvanttivaikutusten kohdistetun käyttöönoton. Empan tutkijat haluavat käyttää tällaisia ​​nanografeeneja tuottamaan uusia antureita, viestintätekniikoita tai komponentteja kvanttitietokoneisiin.

Uuden CarboQuant-laboratorion ytimessä on kaksi huippuluokan skannaustunnelimikroskooppia. Uusien laitteiden avulla Empan tutkijat voivat paitsi nähdä nanografeenimolekyylinsä, mutta myös hallita niiden kvanttitiloja.

Korkeataajuinen mikroaaltosäteily mahdollistaa yksittäisten spinien manipuloinnin – eräänlaista kvanttimagnetismia, jota elektroneissa ja muissa hiukkasissa on ja joka voi ilmetä myös tietyissä nanografeeneissa.

Spiniä pidetään erityisen lupaavana fyysisenä ominaisuutena kvanttilaskentaan ja muihin teknologioihin. Yksinkertaisimmassa tapauksessa siinä on kaksi perustilaa, "ylös" ja "alas" – samanlainen kuin klassinen tietokonebitti, joka voi olla 1 tai 0.

Suurin ero on, että kvanttiefektit mahdollistavat näiden kahden tilan päällekkäisyyden, joten spin voi ottaa minkä tahansa "ylös" ja "alas" yhdistelmän. Juuri tämän olemuksen pitäisi tehdä kvanttitietokoneista ja muista kvanttipohjaisista teknologioista niin tehokkaita – jos onnistumme ymmärtämään ja hallitsemaan niitä.

Työskentely hiilipohjaisten materiaalien kanssa tarjoaa ratkaisevan edun: "Vaikka yksittäisillä atomeilla on vain yksi spin, nanografeenit mahdollistavat useiden linkitettyjen spinien luomisen", sanoo Yujeong Bae Empan uuden kvanttimagnetismin tutkimusryhmän johtaja. Useiden spinien saaminen "puhumaan" toisilleen on ratkaiseva askel kohti toimivaa kvanttiteknologiaa – eihän yksikään bitti tee tietokonetta.

Tämä vaatii edelleen kaksi suurta ruostumattomasta teräksestä valmistettua konetta laboratoriossa, joissa on erittäin korkeat tyhjiökammiot, voimakkaat magneettikentät ja heliumsäiliöt, jotka jäähdyttävät ne lähes absoluuttiseen nollaan. "Pitkällä aikavälillä haluamme saada kvanttipohjaisia laitteita, jotka toimivat näiden huipputeknisten järjestelmien ulkopuolella, ehkä jopa ympäristöolosuhteissa, esimerkiksi optisten tehosteiden vuoksi", sanoo Oliver Gröning, CarboQuantin toinen johtaja ja nanotech@surfacesin apulaisjohtaja.

Ensin tutkijoiden on kuitenkin ymmärrettävä ja opittava hallitsemaan kvanttivaikutuksia. Hankkeen ensimmäinen, välitön tavoite on siis materiaalialusta, eräänlainen työkalupakki hiilipohjaisten kvanttimateriaalien ja niiden ominaisuuksien tutkimukseen. Uuden laboratorion avaamisen myötä tutkijat ovat tulleet paljon lähemmäs tätä tavoitetta.

Aiheesta aiemmin:

Uusi hiilimuoto, jolla on potentiaalia elektroniikkaan

Hiilinanoputki kvanttibittien kodiksi

Hiilinanomateriaalit harvinaisien metallien tilalle