새로운 물질은 양자 컴퓨팅 문제를 해결하는 열쇠를 제공할 수 있습니다.
날짜:
2023년 2월 27일
원천:
펜 스테이트
요약:
다층 2차원(2D) 재료의 새로운 형태의 이종 구조는 양자 컴퓨팅이 광범위한 적용에 대한 주요 장벽을 극복할 수 있게 해줄 수 있다고 국제 연구팀이 밝혔습니다.
전체 이야기
다층 2차원(2D) 재료의 새로운 형태의 이종 구조는 양자 컴퓨팅이 광범위한 적용에 대한 주요 장벽을 극복할 수 있게 해줄 수 있다고 국제 연구팀이 밝혔습니다.
연구원들은 국립 과학 재단이 자금을 지원하는 미국의 19개 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터(MRSEC) 중 하나인 Penn State Center for Nanoscale Science(CNS)의 일부 팀이 이끌었습니다. 그들의 작업은 Nature Materials에 2월 13일 게재되었습니다 .
일반 컴퓨터는 비트라고 하는 수십억 개의 트랜지스터로 구성되며 이진 코드("0" = 꺼짐 및 "1" = 켜짐)로 관리됩니다. 큐비트라고도 하는 양자 비트는 양자 역학을 기반으로 하며 동시에 "0"과 "1"이 될 수 있습니다. 이것은 중첩으로 알려져 있으며 양자 컴퓨터를 일반 컴퓨터보다 더 강력하게 만들 수 있습니다.
그러나 양자 컴퓨터를 구축하는 데는 문제가 있습니다.
"IBM, Google 및 기타 업체는 초전도 큐비트를 기반으로 양자 컴퓨터를 만들고 확장하려고 노력하고 있습니다. "양자 컴퓨터의 작동 오류를 유발하는 고전적 환경의 부정적인 영향을 최소화하는 방법은 양자 컴퓨팅의 핵심 문제입니다."
이 문제에 대한 해결책은 토폴로지 큐비트로 알려진 이국적인 버전의 큐비트에서 찾을 수 있습니다.
"위상학적 초전도체를 기반으로 하는 큐비트는 초전도성의 위상적 측면에 의해 보호될 것으로 예상되므로 환경의 파괴적인 영향에 대해 더 견고할 것"이라고 Zhu는 말했습니다.
위상 큐비트는 구조가 구부러지거나 늘어나는 것과 같은 물리적 변화를 겪고 여전히 원래 형태의 속성을 유지하는 수학의 위상과 관련이 있습니다. 이론적 유형의 큐비트이며 아직 실현되지 않았지만 기본 아이디어는 특정 물질의 위상학적 특성이 양자 상태가 고전적 환경에 의해 방해받지 않도록 보호할 수 있다는 것입니다.
물리학 대학원생이자 이 연구의 제1저자인 Cequn Li에 따르면 현재 위상 양자 컴퓨팅에 많은 관심이 집중되고 있습니다.
"양자 컴퓨팅은 매우 뜨거운 주제이며 사람들은 계산 오류가 적은 양자 컴퓨터를 구축하는 방법에 대해 생각하고 있습니다."라고 Li는 말했습니다. "위상 양자 컴퓨터는 이를 수행하는 매력적인 방법입니다. 그러나 위상 양자 컴퓨팅의 핵심은 이에 적합한 재료를 개발하는 것입니다."
이 연구의 연구원들은 이종 구조(heterostructure)라고 불리는 층상 재료 유형을 개발함으로써 이 방향으로 한 걸음 더 나아갔습니다. 이 연구에서 이종 구조는 토폴로지 절연체 재료인 비스무트 안티몬 텔루라이드 또는 (Bi,Sb)2Te3 층과 초전도 재료 층인 갈륨으로 구성됩니다.
"우리는 (Bi,Sb)2Te3 필름의 표면에서 근접 유도 초전도성을 조사하기 위해 특별한 측정 기술을 개발했습니다."라고 Zhu는 말했습니다. "근접 유도 초전도성은 위상 초전도체를 실현하는 핵심 메커니즘입니다. 우리의 연구는 그것이 실제로 (Bi,Sb)2Te3 필름의 표면에서 발생한다는 것을 보여주었습니다. 이것은 위상 초전도체의 실현을 향한 첫 번째 단계입니다."
그러나 이러한 토폴로지 절연체/초전도체 이종구조는 생성하기 어렵다.
"다른 재료는 다른 격자 구조를 가지고 있기 때문에 일반적으로 쉽지 않습니다."라고 Li는 말했습니다. "또한 두 가지 재료를 함께 사용하면 서로 화학적으로 반응할 수 있으며 인터페이스가 지저분해집니다."
따라서 연구원들은 MRSEC에서 탐구 중인 감금 헤테로에피택시(confinement heteroepitaxy)로 알려진 합성 기술을 사용하고 있습니다. 여기에는 갈륨 층과 (Bi, Sb)2Te3 층 사이에 하나 또는 두 개의 원자 두께의 탄소 원자 시트인 에피택셜 그래핀 층을 삽입하는 것이 포함됩니다. Li는 이를 통해 레고 블록을 함께 스냅하는 것처럼 레이어가 인터페이스하고 결합할 수 있다고 말합니다.
"그래핀은 이 두 물질을 분리하고 화학적 장벽으로 작용한다"고 Li는 말했다. "그래서 그들 사이에 반응이 없었고 우리는 아주 좋은 인터페이스를 갖게 되었습니다."
또한 연구원들은 이 기술이 웨이퍼 수준에서 확장 가능하여 미래의 양자 컴퓨팅을 위한 매력적인 옵션이 될 수 있음을 시연했습니다. 웨이퍼는 마이크로전자공학의 기판 역할을 하는 반도체 재료의 둥근 조각입니다.
"우리의 이종 구조는 토폴로지 초전도체를 위한 모든 요소를 가지고 있지만 아마도 더 중요한 것은 박막이며 잠재적으로 확장 가능하다는 것입니다."라고 Li는 말했습니다. "그래서 웨이퍼 스케일 박막은 토폴로지 양자 컴퓨터 구축과 같은 미래 응용 분야에 큰 잠재력을 가지고 있습니다."
이 연구는 Penn State의 재료 과학 및 공학 교수인 Zhu와 Joshua Robinson이 이끄는 CNS의 IRG1 - 2D Polar Metals and Heterostructures 팀의 공동 노력이었습니다. 연구에 참여한 다른 교수진으로는 Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr 초기 경력 교수이자 물리학 부교수, Danielle Reifsnyder Hickey, 화학 및 재료 과학 및 공학 조교수가 있습니다.
"이것은 우리 MRSEC의 IRG1 팀의 놀라운 팀워크였습니다."라고 Zhu는 말했습니다. "Robinson 그룹은 감금 헤테로 에피택시를 사용하여 2원자층 갈륨 막을 성장시켰고, Chang 그룹은 분자 빔 에피택시를 사용하여 위상 절연체 필름을 성장시켰으며, Reifsnyder Hickey 그룹과 재료 연구소 직원은 헤테로 구조 및 장치의 원자 규모 특성화를 수행했습니다."
다음 단계는 프로세스를 완성하고 토폴로지 양자 컴퓨터를 현실로 가져오기 위한 한 단계 더 나아가는 것입니다.
"재료가 핵심이기 때문에 우리 협력자들은 재료를 개선하려고 노력하고 있습니다."라고 Li는 말했습니다. "이것은 더 나은 균일성과 더 높은 품질을 의미합니다. 그리고 우리 그룹은 토폴로지 초전도성의 특징을 조사하기 위해 이러한 종류의 이종 구조에서 더 발전된 장치를 만들려고 노력하고 있습니다."
Li, Zhu, Reifsnyder Hickey, Robinson 및 Chang과 함께 Penn State 연구의 다른 저자로는 Yi-Fan Zhao, Alexander Vera, Hemian Yi, Shalani Kumari, Zijie Yan, Chengye Dong, Timothy Bowen, Ke Wang, Haiying Wang이 있습니다. 및 제시카 L. 톰슨. 이스라엘 Rehovot에 있는 Weizmann Institute of Science의 저자로는 Omri Lesser와 Yuval Oreg가 있습니다. 일본 쓰쿠바 소재 국립 재료 과학 연구소의 저자로는 Kenji Watanabe와 Takashi Taniguchi가 있습니다.
연구 자금은 MRSEC 프로그램을 통해 국립 과학 재단에서 제공했습니다.
출처 : https://www.sciencedaily.com/