Diamant i kvante-dataen

Diamanter kan brukes til å temme kvantepartikler. Metoden gir en helt ny måte å behandle informasjon på.

Publisert
Diamanter leder varme seks ganger bedre enn kobber og kan tåle meget høye spenninger uten å bryte sammen. (Foto: Colourbox.com)
Diamanter leder varme seks ganger bedre enn kobber og kan tåle meget høye spenninger uten å bryte sammen. (Foto: Colourbox.com)

Kvantekomputere kan få fysikere så vel som vanlige teknoentusiaster til å fråde lett om munnen av forventning.

Å temme den uforutsigbare og spektakulære kvantefysikken vil ikke bare være revolusjonerende, det vil også gi datamaskiner som kan utføre enkelte oppgaver med en kraft som kan virke som ren science fiction.

Problemet er bare at kvantekomputere så langt faktisk er science fiction.

Kvantepartiklene har riktignok en rekke utrolige egenskaper, men med disse egenskapene følger det en særdeles uregjerlig gjeng.

Én av fysikernes utfordringer er å få de rampete partiklene til å ligge lenge nok i ro til at man kan lese av informasjon uten at kvantetilstanden blir forstyrret eller går i oppløsning.

Nå har en gruppe svenske forskere ved Uppsala Universitet utviklet et nytt alternativ til dagens elektronikk. De kaller det valleytronics, og hemmeligheten er diamanter.

Oppfører seg bedre i daler

Studien, Generation, transport and detection of valley-polarized electrons in diamond, kan bidra til å danne grunnlaget for en fremtid hvor våre elektroniske duppeditter er være drevet av diamanter.

Valleytronics er et helt nytt område som gir nye muligheter for informasjonsbehandling og muligens også kvantedatamaskiner, forteller Jan Isberg, professor i elektrisitetslære ved Uppsala Universitet, og en av forfatterne av studien.

– Det er også tenkelig å kombinere spintronics og valleytronics i samme komponenter, noe som gir ytterligere muligheter.

Jan Isberg, professor i elektrisitetslære ved Uppsala Universitet. (Foto: Uppsala Universitet)
Jan Isberg, professor i elektrisitetslære ved Uppsala Universitet. (Foto: Uppsala Universitet)

Mens tradisjonell elektronikk benytter seg av elektronenes elektriske ladninger for å behandle informasjon, de klassiske nullene og enerne, og spintronics bruker elektronenes spinn som basis for informasjon, tar valleytronics det hele ett steg lenger.

Denne teknikken benytter seg nemlig av at elektroner reiser gjennom enkelte materialer – for eksempel diamanter – som bølger. Når elektronene blir nedkjølt og mister energi, vil de like seg bedre i enkelte «daler» av bølgen enn andre.

Det er her, i disse dalene magien skjer. For her oppfører elektronene seg nemlig bittelitt bedre, noe som gir forskerne lengre tid å lese av informasjon på.

Lavere energiforbruk og større hastighet

De svenske forskerne klarte i studien å generere, transportere og lese elektroner med et bølgekvantetall som ble bevart i hele 300 nanosekunder. Det er disse bølgekvantetallene og bevaringen av dem som er kjernen i valleytronics.

– At elektronet kan befinne seg i en og samme dal i lengre tid, slik at operasjoner kan utføres er derfor en viktig forutsetning for å utvikle valleytronics, og dette har vi nå vist at er mulig, forteller Isberg.

For å kunne beskrive elektronenes bølge gjennom krystallen fullstendig, trenger man altså et bølgekvantetall som beskriver hvilken dal elektronet befinner seg i. Og det er denne informasjonen som kan sammenliknes med elektronikkens nuller og enere. Å bruke kvanteinformasjon fremfor elektronisk ladning har riktignok sine fordeler.

– I elektronikk koder man informasjon, enere og nuller, gjennom fraværet eller nærværet av elektrisk ladning. Dette innebærer at man må flytte den elektriske ladningen rundt, noe som krever energi og tar en viss tid.

– Gjennom å kode informasjon i noe annet enn nærværet eller fraværet av elektrisk ladning, som for eksempel bølgekvantetallet kan man prosessere informasjon uten å behøve å flytte ladningen, noe som gir et lavere energiforbruk og raskere kretser, forklarer Isberg.

Fremtiden i diamanter

Et kvantetall er rett og slett et tall som beskriver observerbare størrelser innenfor kvantefysikken. I dette tilfellet beskriver det hvilken dal elektronet befinner seg i, mens man i eksempelvis spintronics bruker spinnkvantetall som beskriver hvordan et elektron spinner.

De to alternativene til elektronikk, spintronics og valleytronics, likner på hverandre i den forstand at de utnytter kvantefysikken for å behandle informasjon, men for spintronics kan stabiliteten utgjøre et problem.

– Spinn kobler seg sterkt til magnetfelt, til forskjell fra bølgekvantetallet, så spinnets koherens forstyrres lett av svake magnetfelt, noe som kan være et problem, forteller Isberg.

For å utføre forsøket sendte forskerne elektroner gjennom en diamant. Dette er ikke tilfeldig. For de fleste av oss er diamanter til å pynte seg med, men for en stor del av forskermiljøet er diamanter heller et fantastisk materiale å bruke til kvantemekaniske formål.

Materialet leder varme seks ganger bedre enn kobber og kan tåle meget høye spenninger uten å bryte sammen. Det kan også dopes slik at det kan lede strøm.

Hvis du legger til at diamanter nå kan produseres syntetisk gir det grunnlaget for at det har blitt foreslått som fremtiden innen kvantemekaniske innretninger.

Referanse:

Jan Isberg et al. Generation, transport and detection of valley-polarized electrons in diamond. Nature Materials (2013). Published online 14 July 2013.