Scientists Find Yet Another Way to Get Qubits Working at Room Temperature

One of the key challenges of getting quantum computing working in a practical and useful way is to do with temperature – being able to put together a machine that doesn’t need ultra-low, laboratory-maintained temperatures to stay stable enough to operate.

Now scientists have found a new technique to get qubits, the basic building blocks of quantum computing, working at room temperature. That means we’re a significant step closer to quantum computing for the masses.

While most qubits to date operate on superconducting materials or as single atoms, here the team explored the use of defects in silicon carbide (SiC) to hold qubits instead – a simpler and more cost-effective way of getting qubits running as required.

Although SiC has been explored as a qubit-holding material before, the problem has been in getting these qubits stable enough to use. The new research identifies the structural tweaks needed to make the formula work.

„To create a qubit, a point defect in a crystal lattice is being excited using lasers, and when a photon is emitted, this defect begins to luminesce,” says physicist Igor Abrikosov, from Linköping University in Sweden.

„It was previously proved that six peaks are observed in the luminescence of SiC, named from PL1 to PL6, respectively. We found out that this is due to a specific defect, where a single displaced atomic layer, called a stacking fault, appears near two vacant positions in the lattice.”

Atom-level modifications like this have been tried before: last year researchers were able to get stable qubits working in diamond defects at room temperature, by replacing one carbon atom with one nitrogen atom.

Silicon carbide is more abundant and less expensive than diamond, which is partly what makes the new research so promising. However, the team has only modelled this idea so far – actual experiments, perhaps using chemical vapor deposition, are still to come.

While the researchers admit that challenges remain, they also report that recent developments in 3D engineering make the prospect of this sort of defect construction more viable than ever before. It’s going to be a long road, but we’re getting there.

Unlike the binary 1s and 0s of classical computing bits, qubits can be in multiple states at once, exponentially increasing the potential computing power, and opening up the possibility of tackling problems that even today’s supercomputers are stumped by.

The findings of this study are going to be useful long before quantum computing hits the mainstream though – they can also be applied to the development of delicate scientific instruments including magnetometers and biosensors.

Una dintre provocările esențiale pentru ca un calculator cuantic să funcționeze, într-un mod practic și util,  este legat de temperatură – fiind necesar a pune la dispoziție o mașină care nu are nevoie de temperaturi ultra-scăzute, menținute în laborator, pentru a rămâne suficient de stabilă în funcționare.

Acum, oamenii de știință au găsit o nouă tehnică pentru a obține qubits, elementele de bază ale calculului cuantic, care funcționează la temperatura camerei. Asta înseamnă că suntem un pas semnificativ mai aproape de calculatorul cuantic comercial.
În timp ce cele mai multe qubits to date operează pe materiale supraconductoare sau ca atomi unici, aici echipa a explorat utilizarea defectelor din carbură de siliciu (SiC) pentru a ține qubits instead – o modalitate mai simplă și mai rentabilă de a face qubits să funcționeze cum este necesar.
Deși SiC a fost explorat ca material de reținere a qubit-ului înainte, problema a fost aceea de a obține qubits suficient de stabili pentru a îi folosi. Noua cercetare identifică modificările structurale necesare pentru ca formula să funcționeze.
„Pentru a crea un qubit, un point defect într-o grilă de cristal este excitat folosind lasere, iar atunci când este emis un foton, acest point defect începe să lumineze”, spune fizicianul Igor Abrikosov, de la Universitatea Linköping din Suedia.

„S-a dovedit anterior că s-au observat șase vârfuri în luminiscența SiC, denumită de la PL1 la PL6, respectiv. Am aflat că acest lucru se datorează unui defect specific, unde un singur strat atomic deplasat, numit defect de stivuire, apare în apropierea a two vacant positions in the lattice „.
Modificări la nivel de atom de acest tip au fost încercate și mai înainte: cercetătorii au reușit anul trecut să obțină mase stabile care lucrează în defecte de diamant, la temperatura camerei, înlocuind un atom de carbon cu un atom de azot.
Carbură de siliciu este mai abundentă și mai puțin costisitoare decât diamantul, ceea ce face ca noua cercetare să fie atât de promițătoare. Cu toate acestea, echipa nu a modelat decât această idee până acum – experimentele reale, probabil folosind depunerea de vapori chimici, urmând a fi făcute.
În timp ce cercetătorii recunosc că rămân provocări, ei raportează, de asemenea, că evoluțiile recente în domeniul ingineriei 3D fac ca perspectiva acestui tip de construcție a defectelor să fie mai viabilă ca niciodată. Va fi un drum lung, dar ajungem acolo.
Spre deosebire de versiunile binare 1s și 0 ale biților clasici de calcul, qubit-urile pot fi în mai multe stări simultan, crescând exponențial puterea de calcul potențială și deschizând posibilitatea de a face față problemelor la care chiar și supercomputerele de astăzi nu fac față.
Concluziile acestui studiu vor fi utile cu mult înainte ca dispozitivele cuantice să fie dezvoltate, căci pot fi aplicate și la dezvoltarea instrumentelor științifice delicate, inclusiv magnetometre și biosenzori.