More than sixty years after Richard Feynman delivered a seminal lecture that foreshadowed the development of nanotechnologies, Institute for Quantum Computing (IQC) and Department of Chemistry faculty member Jonathan Baugh and University of New South Wales Sydney faculty member Arne Laucht served as co-editors leading the publication of a roadmap that surveys major developments in the field of quantum nanotechnologies and explores exciting avenues for further development that will help usher in the next quantum revolution.
Quantum nanotechnologies are structures or devices at the nanoscale—on the order of one billionth of a metre—that can exploit quantum mechanical effects. For example, you can confine a single electron in a nanostructure called a quantum dot and use the electron’s spin to represent a qubit for quantum computing.
“It’s exciting because we’re getting to the point where we can detect spins and charges on very short time scales and with high fidelities, and that is going to be a big part of building a quantum computer and many other quantum technologies that depend on these solid-state devices,” said Baugh, who is also a member of the Waterloo Institute for Nanotechnology (WIN).
As co-editors, Baugh and Laucht determined a list of topics to cover and reached out to experts in each area to write sections of the roadmap. All in all, nearly 30 researchers from 11 countries contributed to the piece detailing quantum nanotechnologies in six areas: quantum metrology, quantum light sources, quantum computing with spins, nano- and opto-mechanics, low-dimensional systems, and molecular devices.
From this small subset of quantum nanotechnologies, a dizzying array of potential applications arise.
Researchers could use a nanoscale pump that generates single electrons to refine the definition of the ampere or to create dynamic quantum dots for computing. Others—like IQC and chemistry department faculty member Adam Wei Tsen, also an author on this paper—could use two-dimensional materials to create quantum-based computer memory.
“At IQC, even though ‘computing’ is in our name, we recognize that sensing, communications and quantum materials are also all important and necessary areas of research for developing the quantum technologies of the future,” said Baugh.
Both quantum information science and nanotechnology are relatively young fields that have been rapidly growing. The roadmap charts the intersection of these fields and reveals a synergy that is greater than the sum of its parts.
“Advances in nanotechnology are enabling quantum technologies that you wouldn’t have otherwise, and vice versa,” said Baugh.
This synergy is represented at the University of Waterloo, where IQC and WIN share facilities and where faculty like Baugh, Tsen, Raffi Budakian, Adrian Lupascu, Guo-Xing Miao and Na Young Kim are members of both institutes.
“In a way, Feynman is the grandfather of both nanotechnology and quantum computing because of two visionary lectures he gave, and it is serendipitous that these two areas have come together in the past couple of decades,” said Baugh. “You see developments now that 10 or 20 years ago we couldn’t do at all. You could barely imagine it. That being said, there is still a lot more progress to be made.”
From developing nano-scale medical imaging to finding the next silicon, research at the intersection of quantum information and nanotechnology is a fertile field for breakthroughs in fundamental research and the development of new devices. By continuing to study the incredibly small, researchers at IQC and around the world could have an enormous impact.
Roadmap on quantum nanotechnologies was published in Nanotechnology on February 4, 2021.
Une feuille de route prometteuse pour les nanotechnologies quantiques
Plus de 60 ans après la célèbre conférence où Richard Feynman prévoyait le développement des nanotechnologies, Jonathan Baugh, professeur à l’Institut d’informatique quantique (IQC) et au Département de chimie de l’Université de Waterloo, et Arne Laucht, professeur à l’Université de Nouvelle-Galles du Sud à Sydney, ont codirigé la publication d’une feuille de route qui rend compte de développements majeurs dans le domaine des nanotechnologies quantiques et qui explore des avenues prometteuses sur la voie de la prochaine révolution quantique.
Les nanotechnologies quantiques concernent des structures ou dispositifs nanométriques — de l’ordre du milliardième de mètre — qui permettent d’exploiter les effets de la mécanique quantique. Par exemple, on peut confiner un électron individuel dans une nanostructure appelée boîte quantique et utiliser le spin de l’électron pour représenter un qubit dans un calcul quantique.
« C’est passionnant parce que nous arrivons au point où nous pouvons détecter des spins et des charges sur des échelles de temps très courtes et avec une grande fiabilité. Cela cela jouera un rôle important dans la construction d’ordinateurs quantiques et de nombreux autres moyens technologiques qui dépendent de ces dispositifs » [traduction], a déclaré M. Baugh, qui est également membre de l’Institut de nanotechnologie de Waterloo (WIN).
En tant que corédacteurs, MM. Baugh et Laucht ont établi la liste des sujets à aborder et ont communiqué avec des experts de chaque domaine pour leur demander d’écrire des sections de la feuille de route. En tout, près de 30 chercheurs de 11 pays ont contribué à cette description des nanotechnologies dans 6 domaines : métrologie quantique, sources quantiques de lumière, calcul quantique à l’aide de spins, nanomécanique et optomécanique, systèmes à nombre réduit de dimensions, dispositifs moléculaires.
Ce petit sous-ensemble des nanotechnologies quantiques donne lieu à une gamme vertigineuse d’applications possibles.
Des chercheurs pourraient utiliser une pompe nanométrique produisant des électrons individuels afin de raffiner la définition de l’ampère ou de créer des boîtes quantiques dynamiques pour effectuer des calculs. D’autres — comme Adam Wei Tsen, professeur à l’IQC et au Département de chimie, également l’un des auteurs de la feuille de route — pourraient utiliser des matériaux bidimensionnels pour créer une mémoire informatique quantique.
« À l’IQC, dit M. Baugh, même si l’informatique fait partie de notre nom, nous savons que la détection, les communications et les matériaux quantiques sont tous des domaines de recherche importants et nécessaires pour mettre au point les technologies quantiques de l’avenir. » [traduction]
L’informatique quantique et les nanotechnologies sont tous deux des domaines relativement jeunes et en croissance rapide. La feuille de route décrit l’intersection de ces domaines et révèle une synergie supérieure à la somme de ses parties.
« Les progrès des nanotechnologies permettent l’avènement de technologies quantiques qui ne seraient pas autrement possibles, et vice versa » [traduction], dit M. Baugh.
Cette synergie est présente à l’Université de Waterloo, où l’IQC et le WIN partagent des installations et où des professeurs comme Jonathan Baugh, Adam Wei Tsen, Raffi Budakian, Adrian Lupascu, Guo-Xing Miao et Na Young Kim sont membres des 2 instituts.
« D’une certaine manière, Feynman est le grand-père des nanotechnologies et de l’informatique quantique, à cause de 2 conférences visionnaires qu’il a prononcées, et c’est une heureuse coïncidence que ces 2 domaines se soient rejoints ces dernières décennies, dit M. Baugh. On assiste maintenant à des développements qui auraient été pratiquement impensables il y a 10 ou 20 ans. Cela étant dit, il y a encore beaucoup de progrès à faire. » [traduction]
Qu’il s’agisse de développer l’imagerie médicale nanométrique ou de trouver le silicium de l'avenir, la jonction de l’information quantique et des nanotechnologies constitue un terreau fertile pour des percées en recherche fondamentale et dans la mise au point de nouveaux dispositifs. En continuant d’étudier l’infiniment petit, les chercheurs de l’IQC et du monde entier pourraient avoir un énorme impact.
Roadmap on quantum nanotechnologies (Feuille de route des nanotechnologies quantiques) a été publié le 4 février 2021 dans Nanotechnology.