เทคนิคกล้องจุลทรรศน์แบบไม่ทำลายเสนอเส้นทางสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมในซิลิคอน

เทคนิคกล้องจุลทรรศน์แบบไม่ทำลายเสนอเส้นทางสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมในซิลิคอน

jumbo jili

ทีมนักวิจัยนานาชาติได้พัฒนาเทคนิคการถ่ายภาพแบบไม่ทำลายซึ่งสามารถเจาะลึกเข้าไปในซิลิกอนเพื่อค้นหาและกำหนดลักษณะโครงสร้างต่างๆ แม้ว่าสิ่งนี้ควรเป็นประโยชน์สำหรับการทดสอบและวัดชิปซิลิคอนแบบเดิมที่ใช้ในการประมวลผลข้อมูลในปัจจุบัน แต่ก็อาจมีผลกระทบมากที่สุดโดยการเปิดใช้งานอุปกรณ์รุ่นต่อไปสำหรับการประมวลผลข้อมูลควอนตัม

สล็อต

ในการวิจัยที่อธิบายไว้ในวารสารScience Advancesนักวิจัยจาก University of Linz ในออสเตรีย, University College London, ETH Zurich และ École Polytechnique Fédérale de Lausanne ในสวิตเซอร์แลนด์ได้ปรับเทคนิคกล้องจุลทรรศน์ที่มีชื่อเสียงซึ่งรู้จักกันในชื่อ Scanning Microwave Microscopy (SMM) ให้เป็น ระบุสารเจือปนที่อยู่ลึกเข้าไปในซิลิกอนโดยไม่ทำให้วัสดุเสียหาย (สารเจือปนคืออะตอมที่เติมลงในเซมิคอนดักเตอร์เพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางแสง)
SMM ใช้สำหรับการใช้งานที่หลากหลายตั้งแต่การกำหนดลักษณะเฉพาะของเซลล์ชีวภาพไปจนถึงวัสดุใหม่ เช่น กราฟีน หรือตัวอย่างเซมิคอนดักเตอร์มาตรฐาน ทำได้โดยการหวี Atomic Force Microscope (AFM) ซึ่งมีโพรบระดับนาโนที่สแกนเหนือตัวอย่างที่สนใจ ด้วย Vector Network Analyzer (VNA) ที่ส่งสัญญาณไมโครเวฟจากโพรบ AFM สัญญาณจะสะท้อนออกมาภายในปริมาตรของตัวอย่างและวัดโดย VNA ซึ่งให้ข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างสามมิติและคุณสมบัติทางไฟฟ้าของตัวอย่าง
นักวิจัยใช้เทคนิค SMM นี้เพื่อสร้างภาพคุณสมบัติทางไฟฟ้าของชั้นอะตอมของฟอสฟอรัสที่มีลวดลายภายใต้พื้นผิวซิลิกอน โดยใช้เทคนิคนี้ นักวิจัยสามารถถ่ายภาพอะตอมที่อัดแน่นหนาแน่น 1,900 ถึง 4,200 อะตอม ฝังอยู่ใต้พื้นผิว 4 ถึง 15 นาโนเมตร
แน่นอนว่ายังมีเทคนิคกล้องจุลทรรศน์อื่นๆ เช่น Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) ที่สามารถแสดงภาพเจือปนเหล่านี้ได้ อย่างไรก็ตาม ข้อได้เปรียบหลักของ SMM คือไม่ดัดแปลงหรือสร้างความเสียหายให้กับตัวอย่าง
“เราเห็นผลกระทบไปทั่วโลกจากเทคนิคของเราสำหรับชิปซิลิกอนมาตรฐาน ซึ่งมีความซับซ้อนและซับซ้อนมาก ซึ่งการถ่ายภาพสแนปชอตของชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดของพวกเขานั้นยากและใช้เวลานานมาก และปัจจุบันเกี่ยวข้องกับการทำลายชิป” Georg Gramse อธิบาย โพสต์เอกสารที่มหาวิทยาลัยลินซ์ที่นำการวิจัยในการให้สัมภาษณ์อีเมลที่มีมาตรฐาน IEEE Spectrum
Gramse ยังตั้งข้อสังเกตว่าเทคโนโลยีการถ่ายภาพแบบไม่ทำลายล้างกำลังกลายเป็นสิ่งสำคัญสำหรับรัฐบาลที่สนใจจะรู้ว่ามีอะไรอยู่ภายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ผลิตในต่างประเทศที่พวกเขากำลังใช้อยู่
แม้ว่าการสแกนแบบไม่ทำลายของ SMM จะช่วยในการผลิตชิปซิลิกอนสำหรับการประมวลผลข้อมูลแบบคลาสสิก แต่ Gramse เชื่อว่าน่าจะส่งผลกระทบอย่างใหญ่หลวงต่อการผลิตคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีฟอสฟอรัสในซิลิกอน
คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำงานค่อนข้างแตกต่างจากคอมพิวเตอร์ทั่วไปที่เปิดหรือปิดทรานซิสเตอร์เพื่อแสดงข้อมูลเป็นหนึ่งและศูนย์ แทนที่จะเป็นเช่นนั้น คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ควอนตัมบิต เนื่องจากกฎของกลศาสตร์ควอนตัม สามารถอยู่ในสถานะของการซ้อนทับ โดยที่พวกมันทำหน้าที่เป็นทั้ง 1 และ 0 พร้อมกัน
เมื่อสี่ปีที่แล้ว ได้มีการเริ่มขั้นตอนแรกในการทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมดังกล่าวสามารถประดิษฐ์ขึ้นโดยใช้ซิลิคอนแบบเดียวกับที่ใช้ในคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน เคล็ดลับคือการปลูกฝังอะตอมฟอสฟอรัสในซิลิกอน วิธีนี้ใช้สปินนิวเคลียร์ของอะตอมฟอสฟอรัสที่ฝังอยู่ในซิลิกอนเป็นควอนตัมบิตหรือควิบิต
งานวิจัยล่าสุดนี้นำเสนอความก้าวหน้าที่สำคัญในการตระหนักถึงอุปกรณ์ที่มีฟอสฟอรัสในซิลิกอนเหล่านี้ เนื่องจาก SMM สามารถรวมเข้ากับเครื่องมือโพรบสแกนแบบเดียวกับที่ใช้ในการจัดรูปแบบอุปกรณ์ซิลิกอน สิ่งนี้จะเพิ่มความเร็วในการผลิตโครงสร้างที่มีลวดลายสามมิติอย่างมาก นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าเครื่องมือโพรบสแกนแบบเดียวกับที่ใช้ในการกำหนดรูปแบบอุปกรณ์ยังช่วยให้สามารถควบคุมในแหล่งกำเนิดและแบบวนซ้ำได้ในระหว่างกระบวนการทั้งหมดสำหรับการทำยาสลบในระดับอะตอม (MBE)
Gramse กล่าวเสริมว่า “ขณะนี้เรากำลังศึกษาพฤติกรรมทางกายภาพของชั้นฟอสฟอรัสบนอุปกรณ์ขับเคลื่อน ซึ่งเป็นขั้นตอนต่อไปในการไปสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมในซิลิคอน”
หากคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จริงจะกลายเป็นสิ่งที่ใช้ในชีวิตประจำวัน qubits จะต้องอยู่ในสองสถานะในคราวเดียวนานกว่าที่เป็นอยู่ตอนนี้ หนึ่งในตัวเลือกที่เป็นไปได้สำหรับ qubit ที่ยาวนานกว่าคือไอออนของทองแดงที่ฝังอยู่ในโมเลกุลขนาดใหญ่
ไพรเมอร์ด่วนสำหรับ qubits อยู่ในลำดับ ไอออนบางชนิดมีอิเลคตรอนที่ไม่คู่กัน ซึ่งการหมุนสามารถสันนิษฐานได้จากสถานะการหมุนสองสถานะ ขึ้นหรือลง—หรือในคอมพิวเตอร์พูด 0 หรือ 1 แต่เมื่อถูกกระแทกด้วยคลื่นไมโครเวฟ อิเล็กตรอนที่ไม่ได้จับคู่สามารถถูกบีบให้สมมติว่าทั้งสถานะ 0 และ 1 พร้อมกัน ทั้งสองรัฐกล่าวกันว่าอยู่ในการทับซ้อน qubits ทั้งหมดที่สร้างขึ้นเพื่อให้อยู่ในสถานะ superposition ในช่วงเวลาสั้น ๆ เนื่องจากสถานะการหมุนของอะตอมใกล้เคียงจะทำลายสถานะที่สอดคล้องกันอย่างรวดเร็ว ทำให้ชีวิตของ qubit สั้นเกินไปสำหรับการคำนวณควอนตัมที่ต้องการ แต่นักวิจัยได้มองหาสูงและต่ำสำหรับ qubits ที่เหมาะสมและหาวิธียืดระยะเวลาที่พวกเขายังคงอยู่ในการซ้อนทับกัน
ขณะนี้ กลุ่มที่มหาวิทยาลัยสตุทท์การ์ทรายงานในNature Communicationsฉบับวันที่ 20 ตุลาคมว่าได้พัฒนาวิธีการป้องกันการหมุนของไอออนทองแดงโดยวางไว้ในโมเลกุลที่มีอะตอมที่มีการหมุนวนค่อนข้างน้อยและเก็บรักษาไว้ มันอยู่ไกลจากอะตอมไฮโดรเจนที่มีการหมุน ไอออนของทองแดงจะถูกย้ายเข้าไปอยู่ในบริเวณใกล้เคียงที่ล้อมรอบด้วยอะตอมของกำมะถันและคาร์บอนที่ไม่มีการหมุน และโดยอะตอมไนโตรเจนที่มีโมเมนต์แม่เหล็กเพียงเล็กน้อย ทีมงานรายงานเวลาที่สอดคล้องกัน 68 ไมโครวินาทีที่อุณหภูมิ 7 K ซึ่งเป็นลำดับความสำคัญที่ดีกว่าสิ่งที่สามารถทำได้ด้วย qubits ที่คล้ายกันในขณะนี้ โมเลกุลยังคงสามารถทำหน้าที่เป็นคิวบิตได้ที่อุณหภูมิห้อง แม้ว่าเวลาที่เชื่อมโยงกันจะเท่ากับ 1 ไมโครวินาที Qubits ในช่องว่างไนโตรเจนในเพชร ได้คะแนนเวลาที่เชื่อมโยงกันนานกว่ามาก แต่ “คุณไม่สามารถสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมด้วย qubit เดียวได้” Joris van Slageren นักฟิสิกส์เคมีแห่งมหาวิทยาลัยสตุตการ์ตซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยกล่าว

สล็อตออนไลน์

Van Slageren กล่าวว่า “เวลาที่เชื่อมโยงกันควรเปรียบเทียบกับเวลาที่ใช้ในการดำเนินการควอนตัมหนึ่งครั้งเสมอ และในกรณีของเรา นี่อาจเป็น 20 ถึง 40 นาโนวินาที” “โดยหลักการแล้ว ภายในระยะเวลาที่เชื่อมโยงกัน เราสามารถดำเนินการควอนตัมได้ประมาณ 3,000 รายการ ซึ่งเท่ากับ ‘ตัวเลขคิวบิตของบุญ’ ที่ 3000 เกณฑ์มาตรฐานปกติคือตัวเลขคิวบิตของมูลค่า 10,000; เราอยู่ห่างจากจุดนั้นไปสามปัจจัย ดังนั้นฉันคิดว่านี่เป็นก้าวที่สำคัญเมื่อเทียบกับควอนตัมบิตอื่นๆ ทั้งหมด” ฟาน สลาเกเรนกล่าว
ยังมีช่องว่างสำหรับการปรับปรุงในช่วงเวลาที่สอดคล้องกัน มันจะเกิดขึ้นกับวิศวกรรมเพิ่มเติมของโมเลกุลที่มีไอออนทองแดง “ยังมีสปินนิวเคลียร์ที่สามารถเอาออกได้” แวน สลาเกเรนกล่าว
เนื่องจากคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะมีควอนตัมบิตหลายร้อยถึงหลายพันบิตที่สามารถสื่อสารได้ การวิจัยเกี่ยวกับวิธีการสื่อสารกับคิวบิตแต่ละตัวจึงมีความสำคัญ จนถึงปัจจุบัน นักวิจัยได้ตรวจสอบการตอบสนองโดยเฉลี่ยของพัลส์ไมโครเวฟโพรบที่กระตุ้นควอนตัมบิตที่ฝังอยู่ในมวลของแข็งของสารประกอบที่มีไว้เพื่อปกป้องพวกมัน
“ตอนนี้มีวิธีพูดคุยกับควอนตัมบิตทีละตัวโดยการเข้าไปพัวพันกับเซ็นเซอร์ควอนตัม” Van Slageren กล่าว เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ ทีมงานวางแผนที่จะวางโมเลกุลควิบิตแต่ละตัวลงบนพื้นผิว Van Slageren กล่าวว่า “สามารถทำได้โดยการระเหยโมเลกุลเหล่านี้ในสุญญากาศสูง ซึ่งนำไปสู่อาร์เรย์ของโมเลกุลที่เป็นระเบียบมากบนพื้นผิว หรือโดยการทำสารละลายของควอนตัมบิตแล้วปล่อยลงบนพื้นผิว” van Slageren กล่าว นักวิจัยของสตุตการ์ตกล่าวว่ามีหลายวิธีในการนำโมเลกุลจากสารละลายลงสู่พื้นผิว
หลังจากการล่ามาเป็นเวลา 85 ปี นักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจพบอนุภาคแปลกปลอมที่เรียกว่า “Weyl fermion” ซึ่งพวกเขาแนะนำว่าอาจนำไปสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เร็วและมีประสิทธิภาพมากขึ้น รวมถึงการประมวลผลควอนตัมรูปแบบใหม่
อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอนอยู่ในกลุ่มอนุภาคที่เรียกว่าเฟอร์มิออน ซึ่งแตกต่างจากอนุภาคหลักอื่นๆ โบซอนซึ่งรวมถึงโฟตอน เฟอร์มิออนสามารถชนกัน—ไม่มีเฟอร์เมียนสองชนิดใดที่สามารถแบ่งปันสถานะเดียวกันที่ตำแหน่งเดียวกันได้ในเวลาเดียวกัน
ในขณะที่อิเล็กตรอนและเฟอร์มิออนอื่นๆ ที่รู้จักกันทั้งหมดมีมวล ในปี 1929 นักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ แฮร์มันน์ ไวล์ ได้ตั้งทฤษฎีว่าเฟอร์มิออนไร้มวลที่มีประจุไฟฟ้าอาจมีอยู่จริง เรียกว่า เวย์ล เฟอร์มิออน “Weyl fermions เป็นส่วนประกอบพื้นฐาน คุณสามารถรวม Weyl fermions สองอันเพื่อสร้างอิเล็กตรอนได้” Zahid Hasanนักฟิสิกส์สสารควบแน่นจากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันกล่าว
ความจริงที่ว่า Weyl fermions ไม่มีมวลแสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถสับเปลี่ยนประจุไฟฟ้าภายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้เร็วกว่าอิเล็กตรอน คุณสมบัติที่มีประโยชน์อีกอย่างของ Weyl fermions ก็คือพวกมันไม่สามารถเคลื่อนที่ถอยหลังได้ แทนที่จะกระเด้งออกจากสิ่งกีดขวาง พวกมันจะวิ่งผ่านหรือรอบๆ สิ่งกีดขวางบนถนน ในทางตรงกันข้าม อิเล็กตรอนสามารถกระเจิงไปข้างหลังเมื่อชนกับสิ่งกีดขวาง ขัดขวางประสิทธิภาพการไหลของอิเล็กตรอนและสร้างความร้อน
Hasan กล่าวว่า “Weyl fermions สามารถใช้แก้ปัญหารถติดที่คุณได้รับจากอิเล็กตรอนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ พวกมันสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพและเป็นระเบียบมากกว่าอิเล็กตรอน “พวกเขาสามารถนำไปสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดใหม่ที่เราเรียกว่า ‘Weyltronics'”

jumboslot

ไฟฟ้าในผลึกเหล่านี้สามารถเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าในกราฟีนอย่างน้อยสองเท่าและเร็วกว่าในเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปถึง 1,000 เท่า
เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักฟิสิกส์คิดว่าอนุภาคย่อยที่เรียกว่านิวตริโนคือ Weyl fermions อย่างไรก็ตาม ในปี 1998 นักวิทยาศาสตร์พบว่านิวตริโนมีมวล (แอนตินิวตริโนเทียบเท่ากับปฏิสสารของพวกเขาอาจเป็นเทคโนโลยีหลักในการรับรองการปฏิบัติตามข้อตกลงนิวเคลียร์ของอิหร่านในสัปดาห์นี้ของอิหร่าน)
ตอนนี้ หลังจาก 85 ปี ในที่สุดนักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจพบ Weyl fermions ภายในผลึกขนาดใหญ่ของแทนทาลัม arsenide พวกเขามีรายละเอียดของพวกเขา ค้นพบ ในสัปดาห์นี้ออนไลน์ในวารสาร วิทยาศาสตร์
อนุภาคเช่น Higgs boson ที่มีชื่อเสียงมักถูกตรวจพบภายหลังจากการชนกันของอนุภาคพลังงานสูง แต่ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ในเดือนมิถุนายน นักวิจัยได้ตั้งทฤษฎีว่า Weyl fermion อาจมีอยู่ในผลึกบางชนิดที่เรียกว่า “Weyl semimetals” ซึ่งสามารถแยกอิเล็กตรอนได้ Hasan กล่าวว่าภายในเป็นคู่ของ Weyl fermions ที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม
นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่า Weyl fermions เหล่านี้ไม่ใช่อนุภาคอิสระ แทนที่จะเป็น อนุภาคกึ่งอนุภาค ที่มีอยู่ภายในผลึกเหล่านั้นเท่านั้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง พวกมันเป็นกิจกรรมทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำตัวเหมือนเป็นอนุภาคในที่ว่าง ด้วยการฉายแสงอัลตราไวโอเลตและรังสีเอกซ์ที่คริสตัลเหล่านี้ นักวิจัยได้ตรวจพบผลกระทบของ Weyl fermion บนลำแสงเหล่านั้น
นักฟิสิกส์Anton Burkovจาก University of Waterloo ผู้ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัยนี้กล่าวว่า “ผลลัพธ์เหล่านี้น่าตื่นเต้นมากสำหรับฉัน เนื่องจากฉันมีส่วนเกี่ยวข้องอย่างมากในการค้นพบทางทฤษฎีของ Weyl semimetals “มันน่าตื่นเต้นมากที่ได้เห็นพวกเขาค้นพบการทดลองในวัสดุจริงในที่สุด”
วิธีการที่เฟอร์มิออนไวล์มีข้อ จำกัด จากการย้ายไปข้างหลังจะคล้ายกับวิธีการที่อิเล็กตรอนประพฤติตนอยู่ในวัสดุที่แปลกใหม่ที่เรียกว่า ฉนวนทอพอโลยี ข้อ จำกัด ดังกล่าวสามารถช่วยให้การไหลของกระแสได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง ; Hasan กล่าวว่ากระแสไฟฟ้าในผลึกเหล่านี้ (ในทางทฤษฎี) สามารถเคลื่อนที่ได้เร็วเป็นอย่างน้อยสองเท่าของกราฟีน และเร็วกว่าในเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปถึง 1,000 เท่า “และคริสตัลสามารถปรับปรุงให้ดีขึ้นกว่าเดิมได้” ผลที่ได้อาจเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เร็วขึ้นซึ่งใช้พลังงานน้อยลง “การใช้พลังงานและความร้อนที่เกี่ยวข้องคือสิ่งที่จำกัดความเร็วของโปรเซสเซอร์ในคอมพิวเตอร์ของเราที่เพิ่มขึ้น” Burkov กล่าว

slot

นอกจากนี้ Weyl fermions ยังอาจนำไปสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมชนิดใหม่ที่มีความทนทานต่อการหยุดชะงักมากขึ้น คอมพิวเตอร์ควอนตัมอาศัยสถานะที่เรียกว่าการทับซ้อน ซึ่งบิตสามารถแทนค่าหนึ่งและศูนย์ได้ในเวลาเดียวกัน การซ้อนทับกันเสนอโอกาสในการแก้ปัญหาที่ยากจะแก้ไขได้ก่อนหน้านี้ แต่มักจะพังทลายลงอย่างฉาวโฉ่หากพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อม ความจริงที่ว่า Weyl fermions มีแนวโน้มที่จะมีปฏิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมน้อยกว่าอาจนำไปสู่วิธีใหม่ในการเข้ารหัสข้อมูลควอนตัม Hasan กล่าว
ขณะนี้นักวิจัยกำลังศึกษาวัสดุอื่นๆ ที่ Weyl fermions อาจมีอยู่ Hasan กล่าวว่า “เราพบวัสดุที่ใช้ไนโอเบียมและคริสตัลที่มีซิลิกอน

This entry was posted in Slot and tagged , , , , , , . Bookmark the permalink.