Future of diamond-based quantum technology
| | |

Future of diamond-based quantum technology

While silicon is traditionally used for computer and mobile phone hardware, diamond has unique properties that make it particularly useful as a base for emerging quantum technologies such as quantum supercomputers, secure communications and sensors.

However there are two key problems; cost, and difficulty in fabricating the single crystal diamond layer, which is smaller than one millionth of a meter.

A research team from the ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optics at the University of Technology Sydney (UTS), led by Professor Igor Aharonovich, has just published two research papers, in Nanoscale and Advanced Quantum Technologies, that address these challenges.

“For diamond to be used in quantum applications, we need to precisely engineer ‘optical defects’ in the diamond devices—cavities and waveguides—to control, manipulate and readout information in the form of qubits—the quantum version of classical computer bits,” said Professor Aharonovich.

“It’s akin to cutting holes or carving gullies in a super thin sheet of diamond, to ensure light travels and bounces in the desired direction,” he said.

To overcome the “etching” challenge, the researchers developed a new hard masking method, which uses a thin metallic tungsten layer to pattern the diamond nanostructure, enabling the creation of one-dimensional photonic crystal cavities.

“The use of tungsten as a hard mask addresses several drawbacks of diamond fabrication. It acts as a uniform restraining conductive layer to improve the viability of electron beam lithography at nanoscale resolution,” said lead author of paper in Nanoscale, UTS Ph.D. candidate Blake Regan.

To the best of our knowledge, we offer the first evidence of the growth of a single crystal diamond structure from a polycrystalline material using a bottom up approach—like growing flowers from seed.

“It also allows the post-fabrication transfer of diamond devices onto the substrate of choice under ambient conditions. And the process can be further automated, to create modular components for diamond-based quantum photonic circuitry,” he said.

The tungsten layer is 30nm wide—around 10,000 times thinner than a human hair—however it enabled a diamond etch of over 300nm, a record selectivity for diamond processing.

A further advantage is that removal of the tungsten mask does not require the use of hydrofluoric acid—one of the most dangerous acids currently in use—so this also significantly improves the safety and accessibility of the diamond nanofabrication process.

To address the issue of cost, and improve scalability, the team further developed an innovative step to grow single crystal diamond photonic structures with embedded quantum defects from a polycrystalline substrate.

“Our process relies on lower cost large polycrystalline diamond, which is available as large wafers, unlike the traditionally used high quality single crystal diamond, which is limited to a few mm2” said UTS Ph.D. candidate Milad Nonahal, lead author of the study in Advanced Quantum Technologies.

“To the best of our knowledge, we offer the first evidence of the growth of a single crystal diamond structure from a polycrystalline material using a bottom up approach—like growing flowers from seed,” he added.

“Our method eliminates the need for expensive diamond materials and the use of ion implantation, which is key to accelerating the commercialisation of diamond quantum hardware” said UTS Dr. Mehran Kianinia, a senior author on the second study.

*Blake Regan et al. Nanofabrication of high Q, transferable diamond resonators, Nanoscale (2021). DOI: 10.1039/D1NR00749A

*Milad Nonahal et al. Bottom‐Up Synthesis of Single Crystal Diamond Pyramids Containing Germanium Vacancy Centers, Advanced Quantum Technologies (2021). DOI: 10.1002/qute.202100037

사이언스모니터 뉴스레터
AI·양자·R&D 핵심 해설을 주 2회(화·금) 이메일로 받아 보세요.

Similar Posts

  • | | |

    네이버, 캐나다 몬트리올 AI·DL 컨퍼런스 ‘NeurIPS’서 연구 성과 공개

    네이버는 올해 캐나다 몬트리올에서 진행되는 인공지능(AI) 딥러닝(DL) 분야 주요 컨퍼런스 ‘NeurIPS 2018(Neural Information Processing Systems, NeurIPS)’에서 인공지능(AI) 연구 성과를 공유했다고 밝혔다. NeurIPS는 캘리포니아 공과 대학교(California Institute of Technology)와 벨 연구소(Bell Laboratories)가 공동으로 주최하는 머신러닝 분야 학회이다. 특히 지난 1986년 시작한 이래, 인공 신경망 연구가 확산되며 세계 최대 머신러닝 학회로 그 중요도와 주목도가 더욱 높아지고 있다….

  • | | | |

    뷰노, 코스닥 상장 예비심사 승인

    의료 인공지능 솔루션 개발 기업 주식회사 뷰노(대표 김현준)는 지난 15일 코스닥 상장을 위한 예비심사를 통과했다고 밝혔다. 뷰노는 지난 5월 기술성 평가에서 A·A 등급을 획득함으로써 코스닥 상장 절차를 본격화했고, 증권신고서를 연내 제출해 공모 절차에 착수할 예정이다. 2014년 12월 설립된 뷰노는 국내 1호 인공지능 의료기기인 뷰노메드 본에이지™(VUNO Med®-BoneAge™)를 필두로, 의료 영상, 안저 등 비의료영상, 병리, 생체신호, 의료…

  • | | | | | |

    혁신적 뉴로모픽 칩 훈련법

    과학자들이 뉴로모픽 칩을 훈련시키는 혁신적인 방법을 고안했다. 뉴로모픽 칩은 인간 두뇌의 구조를 기반으로 하는 컴퓨팅 장치다.  독일 에인트호번 공과대학과 미국 노스웨스턴대학 연구진이 외부 훈련 없이 온칩 학습이 가능한 새로운 뉴로모픽 바이오센서를 개발했다. 개념 증명으로 연구자들은 바이오센서를 사용하여 땀 샘플을 기반으로 낭포성 섬유증을 진단했다. 논문은 Nature Electronics에 게재됐다.  연구팀이 개발한 “스마트 바이오센서”는 뉴로모픽 바이오센싱 컴퓨터다. 이 컴퓨터는 뉴런이 인간 두뇌의 다른 뉴런과 통신하는 방식에서 영감을 얻어 작동하는 장치다. 헬스케어 장치에서 실제로 사용하려면 뉴로모픽 기술은 낮은 전력 요구 사항, 센서와의 인터페이스 및 사용 훈련이 용이해야 한다. 이 중 처음 두 가지는 유기 기반 전자 장치로 해결할 수 있다. 그러나 후련 부분은 핵심 문제였다. 지금까지 뉴로모픽 칩의 신경망은 외부 소프트웨어를 사용하여 훈련되었는데, 이는 시간이 많이 걸리고 에너지가 비효율적일 수 있는 프로세스다. 연구팀은 “이제 우리의 새로운 칩은 환자 데이터를 실시간으로 처리하여 즉시 학습할 수 있다. 이는 확실히 훈련 과정의 속도를 높이고 실제 대화형 생체 응용 분야에서 칩의 사용을 촉진하는 데 도움이 된다”고 말했다. 연구진은 새로운 칩의 효과를 테스트하기 위해 이를 사용하여 유전병인 낭포성 섬유증을 테스트했다. 낭포성 섬유증은 폐, 소화기 계통 등의 장기에 손상을 줄 수 있는 유전성 질환이다. 이 질병을 테스트하는 기존 방법 중 하나는 높은 수준의 염화물 음이온이 낭포성 섬유증의 지표인 땀 테스트를 이용하는 것이다. 낭포성 섬유증을 테스트하는 데 사용할 수 있는 신뢰할 수 있는 센서가 이미 있으므로 이 테스트를 통해 연구원들은 온칩 학습 센서에 대한 확인하기 쉬운 사례 연구를 얻을 수 있었다. 연구진의 뉴로모픽 바이오센서는 센서 모듈, 하드웨어 신경망, 출력 분류 부분의 세 가지 주요 부분으로 구성된다. 땀 한 방울을 센서 모듈에 추가한 후 이온 선택형 전극을 통해 땀 속의 염화물 및 기타 이온 농도를 감지한다. 그런 다음 이러한 신호는 뉴로모픽 칩 자체에 의해 처리된다. 마지막으로 분석 결과는 각각 부정적인 결과 또는 긍정적인 결과를 나타내는 녹색 또는 빨간색 표시등으로 표시된다. 주요 땀 샘플을 평가하기 위해 칩을 사용하기 전에 신경망은 지도 학습을 받아야 했다. van Doremaele는 “우리는 다양한 이온 농도와 알려진 이온 농도를 가진 다수의 땀 샘플을 생성한 후 칩에서 샘플을 테스트했다. 테스트용 칩의 결과가 잘못된 경우 칩을 수정하여 신경망의 노드 간의 가중치를 수정했다”며 “중요한 것은 우리가 하드웨어 자체에서 칩을 훈련시킨다는 것”이라고 말했다. 이는 이 연구의 주요 발전이다. 외부 소프트웨어가 없이 칩에서 신경망을 훈련할 수 있는 능력이다. van Doremaele는 “칩이 관심 문제(여기서는 땀 샘플에서 낭포성 섬유증 감지)에 대해 훈련되면 더 이상 외부 제어나 개입이 필요하지 않다”고 덧붙였다. 또한, 훈련을 받은 경우에도 칩을 다른 문제에 사용할 수 있다. 그는 “스마트 의수나 팔에 동일한 신경망 하드웨어를 사용할 경우 손이나 팔의 움직임에 대한 정보를 사용하여 신경망을 재훈련하기만 하면 된다”고 설명했다. Facebook Share on X LinkedIn WhatsApp Email Copy Link Related posts: 더 강한 인공 무릅 연골 젤 대체물 아마존, 자율주행 로보택시 스타트업 'Zoox' 인수 논의 TKMS vs 한화오션 : 캐나다 차세대 잠수함 사업 수주戰 분석 staff writer…

  • | | | |

    슈뢰딩거 예측한 양자 입자와 파동 이중성 원자 이미지 포착

    사상 처음으로 물리학자들은 파동처럼 행동하는 개별 원자의 선명한 이미지를 포착했다. 이 이미지는 형광 원자의 날카로운 붉은 점들이 퍼지 덩어리의 파동 형태로 변하는 것을 보여주며, 원자가 양자역학 거동 중 하나인 입자와 파동으로 존재한다는 아이디어를 입증했다. 출판전 논문 사이트(arXiv) 논문에 따르면 연구팀의 새로운 기술이 파동적 양자 특성 등 더 복잡한 시스템을 이미지화하는 데 사용될 수 있으며 물리학의…

  • | |

    우주 날씨 관측 나노위성 ‘도요샛’에 내 이름도?

    세계 최초 편대비행 나노위성 4기 내년 6월 발사 우리나라가 개발해 우주로 쏘아 올리는 나노위성에 국민들의 이름을 새긴다. 과학기술정보통신부와 한국천문연구원은 오는 5월 7일(목)부터 천문연에서 개발 중인 나노위성 ‘도요샛(영어명 SNIPE)*’에 신청자의 이름을 새기는 이벤트를 시작한다고 밝혔다. * SNIPE는 ‘Small scale magNetospheric and Ionospheric Plasma Experiment’의 약자로 ‘도요새’라는 의미가 있으며, 작지만 높이 나는 새라는 의미로 ‘도요샛’이라고 명명 도요샛은…

  • | | |

    슈퍼컴퓨터 5호기 개통식…12월 3일 정식서비스, 활용과제 공모

    과학기술정보통신부와 한국과학기술정보원구원(KISTI)은 7일 대전 KISTI 본원에서 국가 초고성능컴퓨터 5호기 개통식 및 도입 30주년 기념식을 개최했다고 밝혔다. 이날 개통식에는 과기정통부 이진규 차관, 국회 이상민 의원(더불어민주당), 국가과학기술연구회 이사장, 슈퍼컴퓨터를 활용하는 연구자 등 300여명이 참석했다. 5호기는 개인용 PC 약 2만대에 해당하는 성능(이론성능 25.7 PFlops, ‘18.6월 기준 세계 11위)을 보유, 기존에 자원부족으로 연구에 한계가 있었던 우주의 기원 등 초거대문제…