Dünyanın ilk ‘çinko oksit spin kübiti’ ölçeklenebilir kuantum cihazlarını geliştirebilir

Kuantum Bilgi Mühendisliği Bölümü’nden SKKU profesörü Hosung Seo ve SKKU İleri Nanoteknoloji Enstitüsü liderliğindeki, Wisconsin-Madison Üniversitesi ve Washington Üniversitesi ile birlikte çalışan bir araştırma ekibi, ilk kez, çinko oksit (ZnO) yarı iletkeninde, geleceğin kuantum bilgisayarlarının, kuantum iletişimlerinin ve kuantum sensörlerinin temel yapı taşı olan “spin kubit” olarak kullanıma yönelik olağanüstü özelliklere sahip bir atomik kusur yapısını tanımladı.

Sonuçlar şurada yayınlanır: PRX Kuantum.

Katı hal kristallerindeki nokta kusurlarında sıkışan elektron dönüşleri, oda sıcaklığında çalışabilir ve kuantum bilgilerini uzun süreler boyunca tutabilir; bu da onları yalnızca kuantum hesaplama için değil, aynı zamanda kuantum iletişimi ve ultra hassas kuantum algılama için de lider bir platform haline getirir. Elmastaki nitrojen-boşluk (NV) merkezi en öne çıkan aday olmuştur, ancak elmasın geniş alanlı, yüksek kaliteli kristallere dönüştürülmesi zordur ve standart yarı iletken üretimine pek uygun değildir, bu da kuantum cihazlarının entegrasyonu ve seri üretiminin önünde büyük engeller oluşturur.

Alternatif olarak çinko oksit

Bu darboğazın üstesinden gelmek için ekip, yarı iletken endüstrisinde halihazırda yaygın olarak kullanılan ve fiziksel özellikleri iyi bilinen bir malzeme olan çinko okside yöneldi. Çinko oksit, kübitler için ideal bir konakçı olarak kabul ediliyor: “Manyetik olarak sessizdir”, neredeyse hiç nükleer spin içermez ve ultra yüksek saflıkta kristaller olarak büyütülebilir. Ekip, süper bilgisayarlar üzerinde son teknoloji ürünü ilk prensip kuantum simülasyonlarını kullanarak periyodik tablodaki aday kusurları sistematik olarak taradı ve bir molibden (Mo) atomunun, eksik bir oksijen atomunun yanındaki bir çinko (Zn) atomunun yerini aldığı bir “molibden-oksijen-boşluk kompleksi” tasarladı ve özelliklerini ayrıntılı olarak analiz etti.

Analiz, aydınlatma altında kusurun görünür aralıkta yüksek verimlilikle parlak, keskin ışık yaydığını gösterdi. Özellikle, ışık emisyonu sırasında kristal titreşimlerine ne kadar enerji sızdığının bir ölçüsü olan Huang-Rhys faktörü, çinko oksitte önceden bilinen kusurlardan çok daha küçüktür ve bu kusurun, kuantum ışık kaynakları için ideal olan keskin, iyi tanımlanmış emisyonu üretebileceğini doğrulamaktadır.

Uzun ömürlü döndürme ve okuma

Ekip ayrıca, kusurun elektron dönüşünün, çevredeki manyetik gürültünün varlığında bile yaklaşık 4 milisaniye (saniyenin 4/1000’i) boyunca kuantum bilgisini istikrarlı bir şekilde tutabildiğini gösterdi. Güçlü bir dönüş-yörünge bağlantısı ve kararlı, simetrik bir yapıyla bir araya gelen bu özellikler, ekibin teorik olarak gösterdiği gibi, yüksek doğrulukta “tek atışta okuma” (tek ölçümde dönüş durumunu doğru bir şekilde belirleme) sağlar. Tek atışta okuma, kuantum hata düzeltme ve kuantum ağları için önemli bir yetenektir.

Seo, “Bu çalışma, temsili bir oksit yarı iletken olan çinko oksitte sağlam, derin seviyeli bir spin kübitin mümkün olduğunu gösteren ilk çalışmadır. Olgun oksit-yarı iletken büyüme ve üretim teknolojileriyle birleştiğinde, kuantum ışık kaynakları, kuantum sensörleri ve kuantum ağları için entegre, ölçeklenebilir bir platforma dönüşebilir.”

Taejoon Park, Ph.D. SKKU adayı, Wisconsin-Madison Üniversitesi’ndeki araştırmacılarla birlikte ilk yazar olarak katıldı. Seo, Washington Üniversitesi’nden Profesör Kai-Mei C. Fu ve Wisconsin-Madison Üniversitesi’nden Profesör Yuan Ping ile ortak yazar olarak görev yaptı.