Publikáció a Nature Communications-ben
2023. február 12.
Gali Ádám csoportjának legutóbbi kutatási eredménye – ami a Nature Communications-ben jelent meg – bizonyítja, hogy a hibakomplexumok kialakulásának reakciókinetikája nem garantálja, hogy ezek elérjék az egyensúlyi állapotot. Ez teljesen megváltoztathatja szimulációs stratégiáinkat, amelyekkel a hibagyártási folyamatainkat tervezzük a kvantumszámítógép-hardverek aktuális generációjának előállítása során. A Wigner Fizikai Kutatóközpontban és a BME Atomfizika Tanszékén működő kutatócsoportból a BME-s társszerzők Udvarhelyi Péter tudományos munkatárs és Gali Ádám egyetemi tanár.
Peter Deák, Péter Udvarhelyi, Gergő Thiering, and Adam Gali
The kinetics of carbon pair formation in silicon prohibits reaching thermal equilibrium
Nature Communications 14, 361 (2023).
Nature Communications 14, 361 (2023).
A szigetelőkben és félvezetőkben elhelyezkedő ponthibák tervezett gyártása kulcsszerepet játszik az elektronikai, fotovoltaikus és optikai eszközeink előállítása során. Jelenleg a kutatások élvonalához tartozik a megfelelő tulajdonságú ponthibák előállítása kvantumszámítógépek, kvantumkommunikációs berendezések és kvantumos mérőeszközök számára. Itt a létrehozott ponthibák helyének nagyon precíz kontrollja kifejezetten fontos kérdés [1]. A nanotechnológiai gyártási eljárások és az ionimplantáció fejlődését kihasználva a ponthibákat irányítottan tudjuk elhelyezni az anyagban – még azokat is, amelyek természetes módon nem is jönnek létre. Az új implantációs és besugárzásos technológiák fejlődése forradalmasította az anyagtudományt és a rá támaszkodó ipart. Mindazonáltal a besugárzásos technikák gyakran eredményeznek helyváltoztatásra is képes hibákat a kvantumhardverként létrehozott ponthiba mellett, és ezek aztán egymással is kombinálódva stabil hibakomplexumokat hoznak létre. Ha megértjük az atomi szintű folyamatokat, amelyek a célhiba és a parazitahibák létrejöttét, reakcióit, majd stabilitását szabályozzák, kitapossuk az utat a megbízható kvantumhardverelemek gyártása felé.
Mindemellett óriási az arra irányuló igény, hogy az új technológiák igényeihez új megoldásokat is találjunk – nemcsak új gyártási eljárásokat, hanem teljesen új ponthibákat a megfelelő funkciókhoz. Ezeknek a keresése az eddigieknél pontosabb, az új rendszerek tulajdonságait jobban előrejelző atomi szintű szimulációs megoldásokat igényel [2, 3]. Az algoritmusok legújabb fejlődési iránya és a rendelkezésre álló nagy számítási teljesítmény ezeknek a kutatásoknak az irányát is már eltolta a gépi tanulásos technológiák alkalmazása felé. A ponthibák nagy többsége komplexeket alkot, amelyek változatos konfigurációkban léteznek, és a gépi tanulásos eljárások képesek megtalálni ezek közül az energetikailag legstabilabbakat az adott alkalmazásra jellemző környezetben. Általában arra számítunk, hogy ezek a legstabilabb konfigurációk tényleg ki is alakulnak, azaz a gyártástechnológiában praktikusan elérhető célállapotot jelentenek.
Gali Ádám kutatócsoportja pontos atomi szimulációk révén mutatta meg, hogy az egyes stabil komplexek kialakulásához elvileg elvezető reakcióutak kinetikája megakadályozhatja az energetikailag kedvező végállapot elérését [4]. Sőt, ez az effektus egy kulcsfontosságú szilíciumbeli hibakomplexum esetében is megmutatkozott, miközben ez a hibakomplexum a jövőbeni kvantumkommunikációs és kvantumszámítástechnikai eszközök egyik ígéretes jelöltje. A stabil végállapotot kereső algoritmusok tehát nem mindig képesek az adott feltételeknek megfelelő rendszert megtalálni. Ez az eredmény ráirányítja a figyelmet arra, hogy mennyire fontos a félvezetőkben implantációval vagy besugárzással gyártott ponthibák reakciókinetikája a hibafizikában és a hibagyártásban.
Hivatkozások
[1] Quantum guidelines for solid-state spin defects
, Gary Wolfowicz, F. Joseph Heremans, Christopher P. Anderson, Shun Kanai, Hosung Seo, Adam Gali, Giulia Galli, David D. Awschalom
, Nature Reviews Materials 6, 906 (2021).
[2] Ab initio theory of the nitrogen-vacancy center in diamond
, Adam Gali
, Nanophotonics 8 1907 (2019).
[3] Recent advances in the ab initio theory of solid-state defect qubits,
Ádám Gali
, Nanophotonics, on-line (2023).
[4] The kinetics of carbon pair formation in silicon prohibits reaching thermal equilibrium
, Peter Deák, Péter Udvarhelyi, Gergő Thiering, Adam Gali
, Nature Communications 14, 361 (2023).
