Спросите эксперта Калифорнийского технологического института: Най-Чанг Йе о новых материалах и будущем квантовой технологии

Приведенные ниже вопросы и ответы были изменены для ясности и длины.

Когда инженеры и физики создают новые материалы в электронике, с какими размерами они работают?

Размеры, с которыми люди работают в наши дни, обычно находятся в нанометровом или нанометровом масштабе, в несколько миллиардных долей метра — масштаб, связанный с размером молекул, или в несколько десятков атомов. Для работы в этом очень маленьком масштабе необходимы специальные инструменты и методы. Вам нужны специальные инструменты для фотографирования небольших конструкций или даже для изготовления устройств. Некоторые из методов включают электронно-лучевую микроскопию, литографию, конфокальную ионно-лучевую микроскопию и литографию. Есть и другие вещи, такие как туннельная микроскопия, атомно-силовая микроскопия и оптическая наномикроскопия. Из-за небольших размеров этих объектов — даже меньше, чем типичные частицы пыли — людям часто приходится проводить наблюдения и производить их в условиях чистой комнаты.

Что такое квантовые материалы?

Начну с небольшой исторической справки. Термин «квантовый материал» первоначально был придуман исследователями в области физики конденсированных сред. Это общий термин, относящийся к материалам, свойства которых не могут быть легко описаны классической или низкоуровневой квантовой физикой. В настоящее время люди обобщают квантовые материалы на другие вещи, включая топологические материалы, низкоразмерные материалы и искусственные квантовые материалы. (Примечание. Более подробное обсуждение этого материала см. Запись разговора). Определение «квантовой субстанции» в наши дни намного шире, чем это было, когда этот термин был первоначально создан.

Чем полезны квантовые материалы? Как мы можем использовать его в будущем?

В настоящее время, например, одна из основных проблем при разработке полупроводниковых технологий заключается в том, что нам необходимо постоянно уменьшать размеры наноэлектронных компонентов и устройств. Это приводит к новым проблемам на квантовых границах. Например, у нас есть проблемы с квантовой проводимостью, квантовой емкостью, квантовыми флуктуациями, а также повышенным тепловыделением. Теперь, если мы включим квантовые материалы, мы действительно сможем ввести дополнительные каналы электро- и теплопроводности и обеспечить барьеры и защитные слои для предотвращения атомного перехода в наноразмерных устройствах и наноструктурах. Этот материал также обладает интересными свойствами, которые можно использовать для разработки дополнительных функций.

Все это может привести к созданию устройств с более высокой эффективностью работы, более высокой скоростью и более низким энергопотреблением для все меньших и меньших размеров. Это стало серьезной проблемой, по крайней мере, для приложений наноэлектроники. Конечно, есть много других областей применения. Квантовые материалы полезны не только для квантовых технологий, но и для широкого спектра приложений, таких как измерение, устойчивость, биомедицина, экология, связь и потребительские товары. (Примечание. Найдите более подробное обсуждение этих приложений на странице Запись разговора).

Есть ли связь между квантовыми материалами и квантовыми компьютерами?

Что-то вроде. Позвольте мне уточнить. Как вы знаете, чтобы сделать квантовые компьютеры, вы должны начать с кубитов, также известных как «квантовые кубиты». И не только квантовые биты, вам также нужны квантовая память, квантовые сети, преобразователи — все это. Но самая важная часть — это квантовые биты. В настоящее время эти кубиты состоят в основном из сверхпроводников, но они являются низкотемпературными сверхпроводниками. Есть много проблем с этим. Работает только при очень низких температурах. Это делает эти кубиты очень масштабируемыми. Если мы сможем развить хорошие и интересные свойства высокотемпературных сверхпроводников, это, безусловно, поможет развитию кубитов.

Кроме того, есть кубиты, которые на самом деле сделаны из квантовых материалов. Например, люди использовали квантовые точки для полупроводников, охлаждая атомы как кубиты. Итак, это примеры реальных квантовых материалов, которые на самом деле используются в качестве кубитов. И, конечно же, кубиты напрямую связаны с квантовыми вычислениями.

Типичные квантовые точки и хорошо охлажденные атомы, такие как низкотемпературные сверхпроводящие кубиты, в настоящее время не разрабатываются для квантовых вычислений. Но применение квантовых материалов к кубитам, безусловно, является областью, которая может оказать влияние на квантовые вычисления.

Насколько другим могло бы выглядеть будущее, если бы мы действительно смогли повернуть физику в нашу пользу здесь?

Я бы сказал, что мы можем увидеть новую квантовую эру с масштабируемыми квантовыми компьютерами и квантовыми сетями. Это может означать более быстрые вычисления и множество новых возможностей для технологий. Пусть у вас будет электроника лучше, быстрее, умнее и меньше; Оптические датчики и другие приборы научных исследований. Вы можете использовать квантовые технологии в потребительских товарах, медицине или даже в национальной безопасности. Вы также получаете более эффективную энергию и большие возможности хранения энергии для более экологичной окружающей среды. Есть много потенциальных хороших вещей, связанных с повседневной жизнью, исследованиями и устойчивостью.

Я учился у Милдред Дрессельхаус, пионера в области нанотехнологий, науки об углероде и электроники. Что самое ценное вы узнали от нее?

Милдред Дрессельхаус была первым штатным профессором электротехники и физики в Массачусетском технологическом институте, а также первой женщиной-профессором в Массачусетском технологическом институте. Она получила множество наград, в том числе Национальную медаль науки, премию Бакли за физику конденсированных сред, премию Кавли за нанонауку, а также Президентскую медаль свободы. Некоторое время она также была директором энергетического отдела Управления науки. Таким образом, она внесла огромный вклад в мир. Она всегда была очень предана всему, что делала, и была увлечена исследованиями. Прежде всего, она была очень доброй и щедрой с людьми.

Вы достигли вершины великой науки. В китайской культуре вершина науки считается высшим достижением человека. На мой взгляд, с этим достижением связаны три важных компонента. Это тонкость, многогранность и добродетель. Милли добилась мастерства в своей карьере, но она также была очень разносторонней. В частности, она была хорошим музыкантом-любителем. Я играл на скрипке и альте. Потом добродетель. В восточной культуре мы считаем это хорошим, и я не сомневаюсь, что Миэль была чрезвычайно добродетельна.

Она была отличным образцом для подражания для всех нас, кто общался с ней, независимо от того, были мы ее учениками или нет.