Ingeniører udvikler stuetemperatur, todimensionel platform for kvanteteknologi

Kvantecomputere lover at være en revolutionerende teknologi, fordi deres elementære byggesten, qubits, kan indeholde flere oplysninger end det binære, 0-eller-1 bits klassiske computere. Men for at udnytte denne evne, hardware skal udvikles, der kan få adgang til, måle og manipulere individuelle kvantetilstande.

Forskere ved University of Pennsylvania's School of Engineering and Applied Science har nu demonstreret en ny hardware-platform baseret på isolerede elektronspins i et todimensionelt materiale. Elektronerne er fanget af defekter i ark med sekskantet bornitrid, et et-atom-tykt halvledermateriale, og forskerne var i stand til optisk at opdage systemets kvantetilstande.

Undersøgelsen blev ledet af Lee Bassett, adjunkt i Institut for Elektro- og Systemteknik, og Annemarie Exarhos, derefter en postdoktor i sit laboratorium.

Medlemmer af Bassett Lab David Hopper og Raj Patel, sammen med Marcus Doherty fra Australian National University, også bidraget til undersøgelsen.

Det blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , hvor det blev valgt som redaktørens højdepunkt.

Der er mange potentielle arkitekturer til opbygning af kvanteteknologi. Et lovende system involverer elektron -spins i diamanter:Disse spins er også fanget ved defekter i diamants regelmæssige krystallinske mønster, hvor carbonatomer mangler eller erstattes af andre elementer. Defekterne virker som isolerede atomer eller molekyler, og de interagerer med lys på en måde, der gør det muligt at måle deres spin og bruge dem som en qubit.

Disse systemer er attraktive for kvanteteknologi, fordi de kan fungere ved stuetemperaturer, i modsætning til andre prototyper baseret på ultrakolde superledere eller ioner fanget i vakuum, men at arbejde med massediamant giver sine egne udfordringer.

"En ulempe ved at bruge spins i 3D-materialer er, at vi ikke kan kontrollere præcis, hvor de er i forhold til overfladen," siger Bassett. "At have det niveau af atomskala kontrol er en grund til at arbejde i 2-D. Måske vil du placere et spin her og et spin der og få dem til at tale dem til hinanden. Eller hvis du vil have et spin i et lag af et materiale og læg et 2-D magnetlag ovenpå og lad dem interagere. Når spinnene er begrænset til et enkelt atomplan, du aktiverer en lang række nye funktioner. "

Med nanoteknologiske fremskridt, der producerer et ekspanderende bibliotek med 2-D-materialer at vælge imellem, Bassett og hans kolleger søgte den, der mest ville ligne en flad analog af massediamant.

"Du tror måske, at den analoge ville være grafen, som bare er et bikagegitter af kulstofatomer, men her bekymrer vi os mere om krystalets elektroniske egenskaber, end hvilken type atomer den er lavet af, "siger Exarhos, som nu er adjunkt i fysik ved Lafayette University. "Graphene opfører sig som et metal, der henviser til, at diamant er en halvleder med stor båndgap og fungerer således som en isolator. Sekskantet bornitrid, på den anden side, har den samme bikagestruktur som grafen, men, som diamant, det er også en bredbåndsgab halvleder og bruges allerede i vid udstrækning som et dielektrisk lag i 2-D elektronik. "

Med sekskantet bornitrid, eller h-BN, bredt tilgængelig og godt karakteriseret, Bassett og hans kolleger fokuserede på et af dets mindre velforståede aspekter:defekter i sit bikagegitter, der kan udsende lys.

At det gennemsnitlige stykke h-BN indeholder defekter, der udsender lys, havde tidligere været kendt. Bassetts gruppe er den første til at vise, at for nogle af disse fejl, intensiteten af ​​det udsendte lys ændres som reaktion på et magnetfelt.

"Vi skinner lys af en farve på materialet, og vi får fotoner af en anden farve tilbage, "Bassett siger." Magneten styrer centrifugeringen, og spinet styrer antallet af fotoner, som defekterne i h-BN udsender. Det er et signal, som du potentielt kan bruge som en qubit. "

Ud over beregning, at have byggesten i en kvantemaskinens qubits på en 2-D overflade muliggør andre potentielle applikationer, der er afhængige af nærhed.

"Quantum -systemer er superfølsomme over for deres miljøer, derfor er de så svære at isolere og kontrollere, "Siger Bassett." Men bagsiden er, at du kan bruge den følsomhed til at lave nye typer sensorer. I princippet, disse små centrifugeringer kan være miniature nukleare magnetiske resonansdetektorer, ligesom den type, der bruges i MR'er, men med evnen til at operere på et enkelt molekyle.

Kernemagnetisk resonans bruges i øjeblikket til at lære om molekylær struktur, men det kræver millioner eller milliarder af målmolekylet at blive samlet til en krystal. I modsætning, 2-D kvantesensorer kunne måle strukturen og den indre dynamik af individuelle molekyler, for eksempel for at studere kemiske reaktioner og proteinfoldning.

Mens forskerne gennemførte en omfattende undersøgelse af h-BN-defekter for at opdage dem, der har særlige spinafhængige optiske egenskaber, den præcise karakter af disse fejl er stadig ukendt. Næste trin for teamet inkluderer at forstå, hvad der gør nogle, men ikke alle, defekter, der reagerer på magnetfelter, og derefter genskabe de nyttige fejl.

Noget af dette arbejde vil blive aktiveret af Penn's Singh Center for Nanotechnology og dets nye JEOL NEOARM mikroskop. Det eneste transmissionselektronmikroskop af sin art i USA, NEOARM er i stand til at løse enkeltatomer og potentielt endda skabe de slags fejl, forskerne ønsker at arbejde med.

"Denne undersøgelse samler to hovedområder inden for videnskabelig forskning, "Siger Bassett." På den ene side, der har været en enorm mængde arbejde med at udvide biblioteket af 2-D materialer og forstå den fysik, de udviser og de enheder, de kan lave. På den anden side, der er udviklingen af ​​disse forskellige kvantearkitekturer. Og dette er en af ​​de første til at bringe dem sammen for at sige 'her er en potentielt stuetemperatur kvantearkitektur i et 2-D-materiale.' "