차세대 전자 및 컴퓨터를 위한 획기적인 획기적인 양자 제어

[이매진]

차세대 전자 및 컴퓨터를 위한 획기적인 획기적인 양자 제어

https://scitechdaily.com/quantum-control-breakthrough-a-game-changer-for-next-gen-electronics-and-computers/

Quantum Control Breakthrough a Game Changer for Next-Gen Electronics and Computers

주제:전기 공학펜실베니아 주립대학교양자 컴퓨팅양자재료

작성자: PENN STATE UNIVERSITY 2023년 11월 1일

Penn State 연구진은 양자 물질의 전자 흐름을 수정하는 전기적 방법을 공개하여 고급 전자 장치 및 양자 컴퓨터의 길을 열었습니다.

1. 양자 컴퓨팅: 기술의 발전

   Pause

   Unmute

   Loaded: 7.79%

   Remaining Time -5:01

   Fullscreen

2. 

Play Video

연구진은 처음으로 양자 컴퓨팅 을 위한 유망 재료에서 전자 흐름의 방향을 전자적으로 변경하는 방법을 시연했습니다 .

일부 양자 물질에서 전자 흐름의 방향을 편리하게 바꾸는 새로운 전기적 방법은 차세대 전자 장치 및 양자 컴퓨터 개발에 영향을 미칠 수 있습니다. Penn State의 연구진은 QAH(양자 변칙 홀) 효과(재료 가장자리를 따라 전자의 흐름이 에너지를 잃지 않는 현상)를 나타내는 재료에서 방법을 개발하고 시연했습니다. 연구팀은 10월 19일 Nature Materials 저널에 게재된 논문에서 이 작업을 설명했습니다 .전자 흐름 제어의 중요성

"전자 장치가 작아지고 계산 요구가 커지면서 전자 흐름 제어를 포함하여 정보 전송의 효율성을 향상시키는 방법을 찾는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다."라고 Henry W. Knerr 조기 경력 교수 겸 Cui-Zu Chang이 말했습니다. Penn State의 물리학 부교수이자 논문의 공동 교신 저자입니다. "QAH 효과는 전자가 재료의 가장자리를 따라 흐르기 때문에 에너지 손실이 없기 때문에 유망합니다."

2013년에 Chang은 이 양자 현상을 실험적으로 처음으로 입증했습니다. 이 효과를 나타내는 물질은 QAH 절연체라고 하며, 이는 위상 절연체의 일종(수십 개의 원자 두께에 불과한 얇은 필름 층)으로 가장자리에서만 전류를 전도하도록 자성으로 만들어졌습니다. 전자는 한 방향으로 깨끗하게 이동하기 때문에 이 효과를 무소산(dissipationless)이라고 하며, 이는 열의 형태로 에너지가 손실되지 않는다는 의미입니다.

Penn State 연구진의 새로운 방법은 QAH(양자 변칙 홀) 효과(재료 가장자리를 따라 전자 흐름이 에너지를 잃지 않는 현상)를 나타내는 재료에서 전자 흐름 방향을 편리하게 변경합니다. 이 방법은 재료의 내부 자성과 관련된 스핀-궤도 토크라는 물리적 메커니즘을 활용합니다. 5밀리초 전류 펄스를 재료에 적용하면 내부 자성에 영향을 미치고 전자 흐름의 재량권이 변경됩니다(예: 오른손잡이에서 왼손잡이로). 출처: Chang Lab/Penn State

전자 제어를 위한 새로운 전기적 방법

QAH 절연체에서 물질의 한쪽 면에 있는 전자는 한 방향으로 이동하고 다른 면에 있는 전자는 2차선 고속도로처럼 반대 방향으로 이동한다고 Chang은 말했습니다. “우리의 이전 연구에서는 QAH 효과를 확장하는 방법을 시연했으며, 본질적으로 더 빠른 전자 전송을 위한 다중 차선 고속도로를 생성했습니다 . 이번 연구에서 우리는 전자 고속도로의 이동 방향을 제어하고 해당 전자가 즉시 유턴할 수 있는 방법을 제공하는 새로운 전기적 방법을 개발합니다.”

연구진은 구체적이고 최적화된 특성을 지닌 QAH 절연체를 제작했습니다. 그들은 QAH 절연체에 5밀리초 전류 펄스를 가하면 재료의 내부 자성에 영향을 미치고 전자의 방향이 바뀌게 된다는 사실을 발견했습니다. 방향을 바꾸는 능력은 양자 기술에서 정보 전송, 저장 및 검색을 최적화하는 데 중요합니다. 데이터가 켜짐 또는 꺼짐, 즉 1 또는 0의 이진 상태로 저장되는 현재 전자 장치와 달리 양자 데이터는 가능한 범위의 상태로 동시에 저장할 수 있습니다. 전자의 흐름을 바꾸는 것은 이러한 양자 상태를 쓰고 읽는 중요한 단계입니다.

자기에서 전자 제어까지

"전자 흐름의 방향을 전환하는 이전 방법은 물질의 자성을 변경하기 위해 외부 자석에 의존했지만 전자 장치에 자석을 사용하는 것은 이상적이지 않습니다"라고 Penn State의 물리학 교수이자 공동 교신 저자인 Chao-Xing Liu는 말했습니다. 종이의. “부피가 큰 자석은 스마트폰과 같은 소형 장치에는 실용적이지 않으며 전자 스위치는 일반적으로 자기 스위치보다 훨씬 빠릅니다. 이번 연구에서 우리는 전자 흐름의 방향을 바꾸는 편리한 전자적 방법을 발견했습니다.”

연구원들은 이전에 시스템의 물리적 메커니즘을 활용하여 내부 자성을 제어할 수 있도록 QAH 절연체를 최적화했습니다 .

“이 방법을 효과적으로 만들기 위해서는 인가된 전류의 밀도를 높여야 했습니다.”라고 Liu는 말했습니다. "QAH 절연체 장치를 좁힘으로써 전류 펄스는 전자 전달 경로의 방향뿐만 아니라 자화 방향을 전환하는 매우 높은 전류 밀도를 가져왔습니다."

연구진에 따르면 양자 물질의 자기 제어에서 전자 제어로의 전환은 기존 메모리 저장에서 발생한 전환과 유사합니다. 원래 하드 드라이브와 플로피 디스크에 정보를 저장하려면 자석을 사용하여 자기를 생성해야 했습니다. 필드에 데이터를 기록하고 USB 드라이브, 솔리드 스테이트 하드 드라이브, 스마트폰에 사용되는 최신 "플래시 메모리"는 전자적으로 기록됩니다. MRAM과 같이 메모리 확장을 위한 유망한 신기술도 마찬가지로 내부 자기와 관련된 물리적 메커니즘에 의존합니다.

이론적 해석과 향후 노력

실험적 시연 외에도 연구팀은 방법론에 대한 이론적 해석도 제공했습니다.

팀은 현재 경로에서 전자를 일시 중지하여 시스템을 켜고 끄는 방법을 탐색하고 있습니다. 그들은 또한 더 높은 온도에서 QAH 효과를 입증하는 방법을 모색하고 있습니다.

Chang 은 “이 효과는 양자 컴퓨터와 초전도체에 대한 현재 요구 사항뿐만 아니라 절대 영도 에 가까운 매우 낮은 온도를 요구합니다 .”라고 말했습니다. "우리의 장기 목표는 기술적으로 더 적절한 온도에서 QAH 효과를 재현하는 것입니다."

참고 자료: Wei Yuan, Ling-Jie Zhou, Kaijie Yang, Yi-Fan Zhao, Ruoxi Zhang, Zijie Yan, Deyi Zhuo, Ruobing Mei, Yang Wang, Hemian Yi의 "양자 변칙 홀 절연체에서 에지 전류 키랄성의 전기적 전환" , Moses HW Chan, Morteza Kayyalha, Chao-Xing Liu 및 Cui-Zu Chang, 2023년 10월 19일, Nature Materials .
DOI: 10.1038/s41563-023-01694-y

연구 당시 Penn State의 연구팀에는 Chang과 Liu 외에도 박사후 연구원인 Wei Yuan, Yang Wang, Hemian Yi가 포함되어 있습니다. 대학원생 Ling-Jie Zhou, Kaijie Yang, Yi-Fan Zhao, Ruoxi Zhang, Zijie Yan, Deyi Zhuo 및 Ruobing Mei; Morteza Kayyalha, 전기 공학 조교수; 그리고 Moses Chan, Evan Pugh 대학교 물리학 명예 교수.

육군 연구실, 공군 과학 연구실, 국립과학재단(NSF)이 이 연구에 자금을 지원했습니다. NSF가 자금을 지원하는 Penn State의 나노규모 과학을 위한 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터와 Gordon 및 Betty Moore 재단의 EPiQS 이니셔티브가 추가 지원을 제공했습니다.