碳化硅正在成为量子领域的主要参与者。碳化硅广泛用于LED和电动汽车等专用电子产品，具有多功能性、广泛的商业可用性和在大功率电子产品中的应用，使其成为量子信息科学的有吸引力的材料，预计其影响将是深远的。
科学家们使用Argonne的APS来绘制碳化硅如何在原子水平上响应量子比特的注入。图片来源：Argonne
利用原子尺度的物理学，量子计算机、网络和传感器等技术可能会在未来几十年内彻底改变通信、药物开发和物流等各个领域。
现在，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）、美国能源部桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）和合作机构的科学家对碳化硅中量子比特（量子信息处理的基本单元）的创建进行了全面研究。
在一项史无前例的研究中，阿贡和桑迪亚的科学家利用了两个实验室的尖端纳米级研究工具，并成功展示了一种以极高精度在碳化硅中植入量子比特的方法。他们还对碳化硅如何在原子尺度上响应量子比特的注入进行了最先进的分析。
他们的高精度研究使科学家能够更好地设计用于特定目的的量子设备，无论是设计超精密传感器还是构建不可破解的通信网络。
研究人员的工作发表在《纳米技术》杂志上，并得到了由Argonne领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心Q-NEXT的部分支持。
“我们可以更好地理解材料的分子动力学，超越我们习惯的典型挥手解释，”该论文的主要作者阿贡科学家Nazar Delegan说。“我们还表明，我们可以在这种非常相关的材料系统碳化硅中创建空间定位的量子比特。
研究人员正在努力完善碳化硅中量子比特的创建。这些量子比特在碳化硅晶体内采用两个并排的原子大小的空穴或空位的形式。科学家称这对原子空洞为空位。
该小组的论文描述了他们如何利用桑迪亚集成纳米技术中心（CINT）完善的过程来创建量子比特。使用CINT的纳米级材料工具之一，科学家们能够精确地将硅离子植入碳化硅中。该过程敲击碳化硅中的松散原子，在材料中产生差异。
该过程不仅使科学家能够指定要注入碳化硅的确切原子数，而且还能够以大约25纳米的精度定位分离度。这种精度对于将量子技术集成到电子设备中至关重要。
“你不必去寻找更大材料中的原子级空位，”桑迪亚科学家和桑迪亚论文负责人迈克尔·蒂茨说。“通过使用聚焦离子束，你可以把原子放在某个地方，其他人可以在100纳米扫描中找到空位。我们正在使这些东西更容易找到，进而更容易研究并整合到一个实用的技术平台中。
在量子比特的精确定位之后，阿贡的科学家对碳化硅样品进行退火或加热，以增强量子比特的性能并稳定碳化硅晶体。
然后，该团队首次精确绘制了晶体内差异的形成方式以及退火过程后其纳米级结构的变化。他们用于这种表征的工具是阿贡强大的先进光子源（APS），这是美国能源部科学办公室的用户设施。
APS 是一个巨大的环形机器，大到足以环绕体育场。它产生非常明亮的 X 射线束，以窥视材料内部。
阿贡纳米材料中心（CNM）的研究人员也是美国能源部科学办公室的用户设施，他们使用CNM在APS的专用X射线光束线来研究碳化硅内部双空位量子比特的动员和创建。当您调整注入原子的数量时，会形成多少空位？当你调整原子的能量时会发生什么？植入如何影响碳化硅的结构？
“这些杂质导致不同的晶体构型，从而导致应变，”Titze说。“菌株如何受到这些不同缺陷的影响？”
为了回答这些问题，研究小组将25纳米薄的X射线束聚焦到碳化硅样品上。
“你可以扫描你的植入材料，在每一个点上，你都能获得正在发生的事情的结构信息，”Delegan说。“所以现在你有一种X射线观察这些鳞片的方式。你可以说，'晶体在植入之前、期间和之后的表现如何？
使用CNM在APS的X射线光束线，该小组能够以令人印象深刻的高分辨率对碳化硅纳米级结构的变化进行成像，以百万分之一的速度检测到变化。
通过使用 Sandia 的 CINT 工具对量子比特的精确定位以及将其晶体环境的精确成像与 Argonne 的 APS 和 CNM 相结合，该团队朝着创建定制碳化硅量子比特迈出了重要一步，这有望为量子应用带来更大的可定制性。他们的工作还增加了关于碳化硅量子比特的书，使科学界能够有意识地开发和调整他们基于碳化硅的量子器件。
“这项工作使所有这些量子信息科学应用成为可能，由于其有用的量子特性，你想要植入一个非常特殊的离子，”Titze说。“你现在可以利用这种对缺陷周围局部应变的了解来设计它，这样你就可以使单个芯片上的数百个缺陷相互对话。
该团队的工作证明了机构间的合作。
“我们CINT提供了精确注入原子的能力，”Titze说。“我们在CNM和Q-NEXT的同事提供了一种独特的方法，让他们在需要寻找它们时真正可以找到它们。”
研究人员将继续使用两个实验室的纳米级材料工具来表征在碳化硅中产生量子比特的动力学。
“我们能够展示这些工具的灵敏度，”Delegan 说。“很酷的部分是，通过一些额外的实验考虑，我们应该能够开始用这些值提取有趣的行为。
这项工作得到了美国能源部科学办公室国家量子信息科学研究中心的支持，作为Q-NEXT中心的一部分。
这项工作部分是在综合纳米技术中心进行的，该中心是为美国能源部科学办公室运营的科学办公室用户设施。在CNM和APS（美国能源部科学办公室用户设施）进行的工作得到了美国能源部基础能源科学办公室的支持。