Skjematisk fremstilling av fotoemisjonsmåling. UV eller røntgenlys fra en synkrotron lyskilde blir brukt til å avgi elektroner fra delta-laget. De blir samlet inn og analysert i en halvkuleformen elektronanalysator. (Bilde: NTNU)

KVANTEDATAMASKINER

NTNU-forskere vil bruke silisium til kvantedatabehandling

– En enorm kommersiell fordel.

Kvantedatamaskiner har vært hardt omdiskutert de siste månedene.

I sentrum har Google og NASAs spleiselag, kvantedatamaskinen D-Wave, blitt heftig debattert i internasjonale teknologimedier som Wired og Science, for ikke å snakke om i TUs egne kommentarfelt.

Justin Wells ved Institutt for fysikk uttalte seg nylig om hans perspektiver som fysiker og kvanteforsker.

En av hans siste forskningsrapporter går ut på bruk av silisium i forbindelse kvantedatamaskiner.

Les også:  Er det så vanskelig å bevise at kvantedata fungerer?

Kvantesilisium

Forskningsgruppen består av ham selv, doktorgradsstudent Federico Mazzola og to mastergradstudenter.

Med input fra Wells og to av hans medforskere Dr. Jill Miwa (Aarhus Universitet) og Federico Mazzola (NTNU), får vi vite at det ikke akkurat står stille i forskningen på kvantedatamaskiner i Norden.

Den kontroversielle D-Wave 2 består i stor grad av stoffet Niob som blir superledende ved 9,3 Kelvin (-263,85 grader celsius). Pinlig nært det absolutte nullpunkt (-273 grader celsius), kjøles kvanteprosessoren ned i en beskyttet atmosfære.

Justin Wells har ønsket å finne ut av hvordan kvantedatabehandling kan foregå med et mer etablert materiale, nemlig den gode gamle halvlederen silisum.

– Siden den store majoriteten av dagens elektronikk er silisiumbasert, er det en enorm kommersiell fordel i å basere fremtidig teknologi på dette, sier Wells.

Silisium finnes over alt der det er mennesker som bruker elektronikk. Grunnstoffet er i smarttelefonen, PC-en og er en avgjørende komponent i de fleste typer solceller. Norske industriselskaper som REC og Elkem er store på verdensbasis innen produksjon av rå silisium.

Les også: Googles mystiske supermaskin skal utnytte kvantemekanikk

Jill Miwa performing measurements at the Swedish synchrotron facility "MAX-III".
Jill Miwa utfører målinger ved den svenske synkrotronen NTNU

Todimensjonale ledere

På forskningsstadiet til kvantedatamaskinene, er materialenes oppførsel viktig. En må kunne vite nok om materialene til å kunne iverksette kvanteutregning på dem.

– Det vi faktisk gjør er å lage et todimensjonalt og høyst elektronisk ledende lag inne i en silisiumplate (wafer) og dermed bruke dette todimensjonale metalliske laget som basis for prototypene, sier Wells.

Denne forskningen ble omtalt av redaktøren i Nature Nanotechnology (se bilde under).

Todimensjonale elektrongasser (2DEG) er elektroner i gassform som kan bevege seg fritt i to dimensjoner, men som er langt mer hemmet i den tredje dimensjon. Grafén er et eksempel på et stoff som kan ha 2D-egenskaper.

– Du kan se på dette 2D-laget som å være litt som grafén: Det er svært ledende og har et atoms tykkelse. Men den store forskjellen ligger i at materialet befinner seg inne i den krystalliserte silisiumplaten og derfor ikke påvirket av eksponering for atmosfæren. De ledende egenskapene blir beskyttet av å være inne i platen, sier Wells.

Men som med mange løsninger, dukker nye problemer opp.

Les også: Google sliter med å rekruttere nordmenn

Nature Nanotechnology

Innsynsproblemer

– Problemet her er at det er mye vanskeligere å observere og se hva som foregår siden vi blir nødt til å se inn i silisiumet uten å "forstyrre" materialet.

Det såkalte "delta-laget" inne i silisiumwaferen har en tykkelse på ett atom.

– Så hvordan kan dere da observere disse 2D-materialene uten å tilføre urenheter og ytre påvirkning?

– Dette er vanskelig. Vår normale metode er å bruke lavenergi-røntgen eller UV-lys for å framprovosere elektronene ut av materialet. Vi gjør dette inne i et vakuum-kammer. Vi er så i stand til å måle elektronspinnet, hastigheten og energien til elektronene som vi samler i vakuumet, sier Wells.

Wells legger til at metoden er basert på Einsteins fotoelektriske effekt som han fikk Nobelprisen i fysikk for.

– Faktisk er denne metoden svært godt forstått og brukt. Våre svenske og danske kolleger har stor ekspertise. Det store problemet er at å fjerne elektronene innebærer at de må gjennom lag av ren silisium på toppen av delta-laget. De fleste av dem går tapt og kommer ikke ut av prøven. Et viktig startsted for dette arbeidet var å utvikle en ny måte å måle dette på så vi kan observere elektronene spesifikt fra laget, sier Wells.

"Overraskende nok, er direkte observasjon av tilstanden mulig til tross for at de er begravet langt under overflaten", kommer det fram i forskningsartikkelen til Jill A. Miwa, en av Wells samarbeidspartnere fra Aarhus Universitet som har forsket på nettopp dette.

Les også: Dette er verdens minste ledning i silisium

A schematic representation of the photoemission measurement. UV or X-ray light from a synchrotron light source is used to emit electrons from the delta layer. They are collected and analysed in a hemispherical electron analyser.
Skjematisk fremstilling av fotoemisjonsmåling. UV eller røntgenlys fra en synkrotron lyskilde blir brukt til å avgi elektroner fra delta-laget. De blir samlet inn og analysert i en halvkuleformen elektronanalysator. NTNU

Elektronspinn

For at kvantedatamaskiner en dag kan bli en anvendelig teknologi, må det forskes på flere materialer og måten de oppfører seg på.

– Det er flere konkurrerende forslag for hvordan vi skal lage kvantedatamaskiner. Ett sentralt konsept er elektronspinnet til et enkelt elektron, sier Wells.

Han forklarer at elektronspinn kan forfalle ved eksponering for urenheter, eller kjerne-spinn.

– Derfor er en veldig stor hindring ved å lage kvantedatamaskiner at vi trenger å finne materialer med god elektronspinn-levetid. Og samtidig trenger vi materialer som vi kan bygge i veldig liten elektronikk og gjøre det kompatibelt med normal elektronikk. Industrien foretrekker silisium-basert teknologi, sier Wells.

Spinntronikk: Norske fysikere vil gjøre PC-oppstarten lynkjapp

Godt utprøvd

Nye og gamle materialer går i disse dager i konkurranse mot silisium, for eksempel ved at plast presenteres som et alternativ til silisium i solceller.

Men det finnes noen tungtveiende grunner for å fortsette satsingen på gode gamle silisium likevel.

– Andre materialer kan være å foretrekke, men vi ville gi avkall på over 50 år med erfaring innen produksjon og utvikling hvis vi tok i bruk et nytt materiale. Silisium er billig, finnes i overflod, er miljøvennlig og vi kan framstille det veldig rent. På grunn av dette er det en sterk drivende kraft som heller i retning av å lage kvantedatamaskiner i silisium, sier Wells.

Les også: – Hvis vi kunne brette ut poreveggene i fem gram aerogel, ville det dekke Lerkendal stadion

Momentum-fordeling av ledningselektroner (fermi-overflate) i delta-dopet silisium. NTNU

Ole Brumm-kalkulering

Konseptet med kvantedatamaskiner kan virke noe spesielt med tanke på at det presenterer seg som en ny måte å drive utregninger på som er grunnleggende forskjellige fra måten binære datamaskiner jobber på.

Binære datamaskiner kan beregne utfall én etter én. Riktignok svært raskt i disse dager, men en kvantemaskin løser problemer på en ganske så annerledes måte.

Tradisjonelle databits har hver kun én verdi: Enten 1 eller 0. Kvantebits kan inneha verdien 1 og 0 på samme tid, og kan derfor regne ut mange ulike kombinasjoner simultant, i motsetning til tradisjonelle datamaskiner som kun forholder seg til "enten-eller".

Aerogel av grafén: Dette er verdens letteste materiale

Materialspesialister

Wells forteller at forskningsgruppen hans har erfaring med en stor rekke 2D-materialer, inkludert grafén og 2D-lag i silisium. For ikke å snakke om spinntronikk.

– Vi har mange sterke samarbeid på tvers av landegrensene, blant annet i Skottland, Danmark, Sverige og Australia, sier Wells.

Wells forskningsgruppe er en liten forsamling som jobber med svært mange forskjellige prosjekter.

– Vårt nyeste prosjekt dreier seg om å etterforske kjemiske egenskaper ved grafén-overflater for applikasjoner innen kreft-terapi, sier Wells.

Les også:

«Metamaterialer» skal beskytte piloter mot laserangrep fra bakken

Samme vekt og tetthet som aerogel, men 10.000 ganger stivere

Selvrensende fasade fjerner bilforurensning