Onderzoekers hebben een nieuwe supergeleider ontwikkeld op basis van germanium, een materiaal dat al alomtegenwoordig is in de computerindustrie, en mogelijk aanzienlijke vooruitgang in de kwantumcomputertechnologie mogelijk maakt. De doorbraak pakt een cruciale hindernis in quantum computing aan: de behoefte aan materialen die zowel supergeleiding vertonen als naadloos kunnen worden geïntegreerd in bestaande chipfabricageprocessen.
Wat is supergeleiding en waarom is het belangrijk?
Supergeleiders zijn materialen die elektriciteit kunnen geleiden met nul weerstand. Deze eigenschap is uitzonderlijk waardevol in elk elektrisch apparaat, omdat het energieverlies als gevolg van hitte elimineert. Cruciaal voor kwantumcomputers is dat supergeleiders ook de kwantumcoherentie behouden – een fenomeen dat essentieel is voor de manipulatie en opslag van kwantuminformatie.
De uitdaging van het integreren van supergeleiders in computers
Eerdere supergeleiders waren weliswaar effectief, maar waren vaak gemaakt van ongebruikelijke en moeilijk te bewerken materialen. Dit vormde een aanzienlijke belemmering voor de integratie ervan in praktische computerapparatuur, met name kwantumcomputers waarvoor complexe schakelingen nodig zijn.
Een nieuwe aanpak: gallium-gedoteerd germanium
Peter Jacobson van de Universiteit van Queensland, Australië, en zijn team hebben een op germanium gebaseerde supergeleider gemaakt door gallium in het materiaal te introduceren via een proces dat doping wordt genoemd. In tegenstelling tot eerdere pogingen tot soortgelijke combinaties, die instabiel bleken, gebruikte het team van Jacobson röntgenstraling om een meer uniforme verdeling van gallium in de germaniumfilm te forceren. Dit resulteerde in stabiele structuren met patronen.
Vereisten voor superkoeling en het landschap van kwantumcomputing
Het is belangrijk op te merken dat deze nieuwe supergeleider, net als de bestaande, niet bij kamertemperatuur werkt. Om te kunnen functioneren zijn extreem lage temperaturen nodig – met name 3,5 Kelvin (-270°C/-453°F). Hoewel dit het gebruik ervan in typische consumentenapparaten elimineert, suggereert David Cardwell van de Universiteit van Cambridge dat het perfect geschikt is voor kwantumcomputers, waarvoor al superkoeling nodig is.
“Het zou een transformatie kunnen betekenen voor kwantum”, zegt Cardwell. “Dit geeft een geheel nieuw niveau van functionaliteit, omdat je sowieso een erg koude omgeving hebt. Dat zou, denk ik, het voor de hand liggende uitgangspunt zijn.”
Het probleem van de kristalstructuurdefect overwinnen
Eerdere pogingen om supergeleiders te combineren met halfgeleiders (sleutelcomponenten van computerapparatuur) resulteerden in defecten in de kristalstructuur – een groot obstakel voor praktische toepassingen. Deze defecten leiden tot signaalabsorptie en verstoren de precieze kwantumoperaties.
“Stoornis is eigenlijk een parasitair effect in de kwantumtechnologie”, legt Jacobson uit. “Het zorgt ervoor dat je signalen worden geabsorbeerd.”
Een uniforme kristalstructuur voor verbeterde functionaliteit
De nieuw ontwikkelde gallium-gedoteerde germanium-supergeleider overwint dit probleem door lagen van het materiaal en lagen silicium (een andere veel voorkomende halfgeleider) direct op elkaar te laten zitten zonder de kristalstructuur te verstoren. Dit maakt de weg vrij voor de productie van geïntegreerde chips die gebruik maken van de unieke voordelen van zowel halfgeleiders als supergeleiders. Deze gecombineerde chips hebben het potentieel om de efficiëntie en betrouwbaarheid van kwantumcomputers drastisch te verbeteren.
Concluderend betekent de creatie van een stabiele, gemakkelijk te vervaardigen germaniumsupergeleider een belangrijke stap voorwaarts voor kwantumcomputers. Door problemen aan te pakken die verband houden met materiaalintegratie en kristalstructuurdefecten, ontsluit deze innovatie mogelijkheden voor krachtigere en betrouwbaardere kwantumtechnologieën
