מדידה חשמלית של מצב הספין השזור של האלקטרון־ גרעין בשבב קוונטי מיהלום בטמפרטורת החדר

תקציר:

• הספין של הגרעין ביהלום הוא מועמד מבטיח לשמש בטכנולוגיות קוונטיות בשל זמן הקוהרנטיות הארוך שלו.
• מה שהופך את היהלום לחומר מסקרן ומבטיח ליישומים קוונטיים הוא מרכז ה־NV בגביש שדרכו קיימת גישה לספינים של הגרעין ושל האלקטרון.
• הצוות של מילוש נסלדק (Milos Nesladek) במכון IMO-IMOMEC הצליח למדוד באופן חשמלי את מצב הספין השזור של הגרעין־אלקטרון בטמפרטורת החדר.
• זאת התפתחות משמעותית וחשובה בדרך לבניית ומימוש התקנים עבור יישומים כמו חישה.

לצוות של מילוש נסלדק במכון IMO-IMOMEC, קבוצת מחקר של imec באוניברסיטת האסלט (UHasselt), יש היסטוריה ארוכה ומוכחת של שימוש ביהלומים מלאכותיים במירוץ לפיתוח מערכות קוונטיות מצב מוצק הטובות ביותר. במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת Nature Communications, הדגים הצוות גישה מעשית חדשה לבניית פלטפורמת טכנולוגית קוונטית שעובדת בטמפרטורת החדר על בסיס שבב יהלום עם שערים לוגיים קוונטים המבוססים על קריאה חשמלית של מצב הספין השזור של האלקטרון־גרעין. הוכחת ההיתכנות הזאת היא הצעד הראשון בדרך לפיתוח שערי קריאה חשמלית מורכבים יותר לשימוש בטכנולוגיות קונטית מתקדמות שיכולות להרוויח מזמן הקוהרנטיות הארוך יותר של הספין של הגרעין ביהלום.

הספינים של הגרעין ושל האלקטרון במערכות קוונטיות על בסיס יהלום

למערכות מוליך למחצה על בסיס קיוביט מבוסס ספין יש פוטנציאל גדול לשמש בטכנולוגיות קוונטיות עתידיות, ובהן מחשוב קוונטי, טלקומוניקציה וחישה, בזכות התאמתן ליישומים מגוונים וגודלן הזעיר שמאפשר לשלבן בהתקנים זעירים בקנה מידה ננומטרי. הספין של הגרעין ביהלום זוכה לעניין מיוחד בזכות זמני הקוהרנטיות הארוכים שלו, שהוא מפתח ליישומים קוונטים מורכבים אמינים ועתירי ביצועים. בטמפרטורת הסביבה נמדד זמן הקוהרנטיות בשניות וכשמקררים את המערכת לאזור ה־10 קלווין הוא מתארך עוד יותר ומגיע עד לעשרות דקות.

מילוש נסלדק: “המפתח ליישומים קוונטים על בסיס יהלום הוא מרכז ה־NV, פגם בגביש שבו אטום חנקן מחליף את אחד מאטומי הפחמן בסריג ואילו המקום הסמוך לו נותר ריק. למרכז NV מטען חשמלי שלילי והוא אחד מפלטפורמות הקיוביט מצב מוצק המעניינות ביותר מכיוון שאפשר להשתמש בספין של האלקטרון כקיוביט או כקיוביט משני, על מנת לקרוא מצב ספין אפל של הגרעין. לגישה לספין של האלקטרון ולספין של גרעין (החנקן) יש יתרונות רבים משום שלכל אחד מהם תפקיד שונה. לספין של האלקטרון זמן קוהרנטיות קצר יותר, אבל אפשר לשלוט עליו בקלות יותר; בעוד שהספין היציב יותר של הגרעין יכול לשמש כקיוביט זיכרון לאחסון מידע הספין של האלקטרון.

עמדת העבודה האופטית עם מיקרוסקופ קוונטי בטמפרטורת החדר ששימש
בניסוי מדידת הספין של גרעין יחיד.
קרדיט: IMEC

כמו כן, אפשר לשזור את שני סוגי הקיוביטים האלה. שזירה קוונטית היא תופעה במכניקת הקוונטים המשמשת כאבן היסוד של מחשוב קוונטי. היא מקצרת את זמן העברת המידע בין קיוביטים ויש לה תפקיד חיוני ביישומים קוונטים נוספים, ובהם תקשורת קוונטית. עד כה, התקנים שהשתמשו בשזירה קוונטית קוררו לטמפרטורות נמוכות מאוד הקרובות לאפס המוחלט (0 קלווין).

קריאה חשמלית של מצב הספין בטמפרטורת החדר

כיום, קריאת מצב הספין השזור של הגרעין־אלקטרון היא אופטית ומצריכה שימוש במכשירים גדולים ומסורבלים. מילוש נסלדק: “אנחנו רוצים לקרוא את מצב הספין באופן חשמלי, מכיוון שכך נוכל למזער את הטכנולוגיה ולממש התקנים אלקטרוניים עם כמה יחידות ספין אלקטרון־גרעין שזורות על גבי שבב קוונטי אלקטרוני אחד. היחידות האלו יכולות לתקשר זו עם זו בשתי דרכים. הראשונה: אפשר למקם את היחידות קרוב מאוד, לרוב במרחק קטן מ־50nm, אבל אז לא נוכל להבדיל ביניהן באמצעים אופטיים, בשל מגבלת העקיפה של גלי אור. זאת בעיה, מכיוון שבמצב כזה לא נוכל להפעיל כל יחידה בנפרד או להשתמש בהן ליצירת שערים קוונטיים שזורים. כפתרון לבעיה הזאת, הוספנו מגעים חשמליים מסביב למרכזי ה־NV שביחידות וכך אנחנו יכולים לקרוא את מצב הספין של כל יחידה בנפרד.”

“במדידה חשמלית נקבעת הרזולוציה המרחבית אך ורק על פי גודל האלקטרודה, מה שמאפשר לנו למקם קיוביטים מבוססי ספין קרוב מאוד זה לזה וכך לבנות מערכות קוונטיות בקנה מידה ננומטרי, שבעזרתן נוכל להמשיך למזער את המוליכים למחצה. לאחרונה, השתמשנו בגישה הזאת בהצלחה למדידת מצב הספין של צברים גדולים של ספינים של גרעינים, אבל הפעילות הקוונטית הבסיסית מסתמכת על מניפולציה של קיוביטים בודדים וקריאת מצבם. בהקשר הזה, הדגמנו קריאה חשמלית של מצב הספין של גרעין אחד במרכז ה־NV בעזרת הספין של אלקטרון בודד”, ממשיך מילוש נסלדק.

“וגולת הכותרת, הדגמנו את כל זה בטמפרטורת החדר. אחד היתרונות של הקיוביטים האלה הוא שהם עובדים בטמפרטורת החדר. למרות הטמפרטורות הגבוהות, זמן הקוהרנטיות של הספין של הגרעין הוא עדיין כמה שניות. אמנם ביישומים קוונטיים מסוימים עדיין נקרר את המערכת לטמפרטורה של עשרות קלווין, אבל אלו טמפרטורות רחוקות מאוד מאלו שנדרשו באופן מסורתי עבור מערכות קוונטיות שאותן היה צריך לקרר לטמפרטורות של מיליקלווין וקרוב מאוד לאפס המוחלט. ליכולת לבצע פעולות קוונטיות בטמפרטורות גבוהות יותר יש השפעה עצומה על עתיד המחשוב הקוונטי, שכיום דורש מערכות קירור שצריכת האנרגיה הגדולה שלהן יוצרת צוואר בקבוק שמונע בניית מערכות גדולות יותר.”

כיוון קרן הלייזר באורך גל של 532nm המשמשת לקיטוב הספין של מרכז
ה־ NV וקריאת מצב הספין. החוקרים מכוונים את קרן הלייזר לתוך שבב קוונטי
המורכב ממשטח יהלום עם מגעים חשמליים ורצועות MW לצורך מניפולציה של
מצב הספין )לא מוצגים בתמונה(.
קרדיט: IMEC

מערכים ויישומים קוונטיים

“כבר היום, קיוביטים על בסיס יהלום הם החיישנים הטובים ביותר בתנאי טמפרטורת החדר למדידת שדה מגנטי/חשמלי, טמפרטורה של מולקולות ועוד. אם נצליח ליצור חיישנים על בסיס שזירה קוונטית, נוכל להגדיל את רגישות החיישנים אפילו יותר. ביישומי מחשוב קוונטי, שבהם נעשה שימוש באלפי קיוביטים, אנחנו ניצבים עדיין בפני כמה אתגרים בדרך למימוש קיוביטים על בסיס יהלום. האתגר המרכזי הוא ייצור מרכזי NV אחידים ברמת אמינות גבוהה. כיום, יכולת הייצור שלנו מאפשרת יצירת מרכזי NV אחידים בהסתברות של ~90%, אבל המספר הזה צונח ל־~65% כשמייצרים ארבעה מרכזים. כשמדובר באלפי מרכזי NV, ההסתברות הופכת לקטנה מאוד… וכדי למצוא פתרון למגבלה הזאת נדרש מחקר נוסף בכל התחומים: חומרים, אלקטרוניקה ועד למערכת המלאה.”

מילוש נסלדק: “הדגמנו בהצלחה יכולת קריאה חשמלית של קיוביטים שזורים. השלב הבא הוא למנף את היחידה הבסיסית של אלקטרון־גרעין לבניית מערכים. אנחנו עובדים על שבב עם 4 מרכזי NV במרחק של 50nm זה מזה. אם נצליח לחבר באופן יציב את ארבעת הקיוביטים האלה ל־5 ספינים של גרעין, הרי שיצרנו מערכת של 20 קיוביטים, שאותה אפשר להפעיל בטמפרטורות נמוכות סבירות (באזור ה־10 קלווין ואולי אפילו בטמפרטורות גבוהות יותר). מערכת כזאת תסלול את הדרך ליישומים חדשים ומרתקים, כמו סימולטורים קוונטיים!”

מילוש נסלדק

פרופ’ מילוש נסלדק, PhD, מחזיק בתואר MSc. מהפקולטה למתמטיקה ופיזיקה באוניברסיטת צ’ארלס שבפראג, ובתואר PhD מ־Czech Academic Sciences בשיתוף אוניברסיטת לוון (KU Leuven) בתחום מעבר אלקטרונים במוליכים למחצה. הוא משמש כמרצה לפיזיקה באוניברסיטת האסלט (UHasselt) וכחבר צוות במכון IMO-IMOMEC, קבוצת מחקר של imec באוניברסיטת האסלט. הוא אחד מהמדענים פורצי הדרך בתחום גידול גבישי יהלום מלאכותיים בשיטת CVD (שיקוע כימי) בכל הצורות, ופעיל בתחום זה כבר 30 שנה. המחקר של פרופ’ נסלדק עוסק בפוטומוליכות במערכות של חומר צפוף, בדגש על מוליכים למחצה עם פער אסור מותר (WBG). דוגמה למחקר בתחום זה היא פיתוח של קיוביטים מצב מוצק ביהלום הניתנים לקריאה פוטוחשמלית על בסיס מרכזי ספין פאראמגנטיים. פרופ’ נסלדק השתתף במספר רב של פרויקטים באיחוד האירופי בנושאים שונים: מפיזיקה בסיסית ועד למיזמי פיתוח תעשייתי, שאת חלקם הוא הוביל. פרופ’ נסלדק יושב בוועדות של כמה כנסים והוא הנציג הבלגי ברשת Quantum Community Network (בראשי תיבות QCN של יוזמת Quantum Flagship. פרופ’ נסלדק פרסם יותר מ־300 מאמרים מדעיים ותרם וסייע לכתיבתם של כמה ספרים. הוא עורך משנה של כתב העת Diamond Related Materials.

פרופ’ מילוש נסלדק
קרדיט: IME