2D-array af elektron- og nukleare spin-qubits åbner ny grænse inden for kvantevidenskab

Ved at bruge fotoner og elektronspin-qubits til at kontrollere nukleare spins i et todimensionelt materiale har forskere ved Purdue University åbnet en ny grænse inden for kvantevidenskab og -teknologi, hvilket muliggør applikationer som atom-skala kernemagnetisk resonansspektroskopi og at læse og skrive kvante information med nukleare spins i 2D-materialer.

Som offentliggjort mandag (15. august) i Nature Materials , brugte forskerholdet elektronspin-qubits som sensorer i atom-skala, og også til at udføre den første eksperimentelle kontrol af nukleare spin-qubits i ultratynde hexagonalt bornitrid.

"Dette er det første værk, der viser optisk initialisering og sammenhængende kontrol af nukleare spins i 2D-materialer," sagde den korresponderende forfatter Tongcang Li, en Purdue lektor i fysik og astronomi og elektro- og computerteknik, og medlem af Purdue Quantum Science and Engineering Institute .

"Nu kan vi bruge lys til at initialisere nukleare spins og med den kontrol kan vi skrive og læse kvanteinformation med nukleare spins i 2D-materialer. Denne metode kan have mange forskellige anvendelser inden for kvantehukommelse, kvantesansning og kvantesimulering."

Kvanteteknologi afhænger af qubit, som er kvanteversionen af ​​en klassisk computerbit. Den er ofte bygget med et atom, en subatomær partikel eller foton i stedet for en siliciumtransistor. I en elektron- eller nuklear spin-qubit er den velkendte binære "0" eller "1"-tilstand af en klassisk computerbit repræsenteret af spin, en egenskab, der er løst analog med magnetisk polaritet - hvilket betyder, at spindet er følsomt over for et elektromagnetisk felt. For at udføre enhver opgave skal spindet først være kontrolleret og sammenhængende eller holdbart.

Spin-qubit'en kan derefter bruges som en sensor, der sonderer for eksempel strukturen af ​​et protein eller temperaturen på et mål med opløsning i nanoskala. Elektroner fanget i defekterne i 3D-diamantkrystaller har produceret billeddannelse og registreringsopløsning i området 10-100 nanometer.

Men qubits indlejret i enkeltlags- eller 2D-materialer kan komme tættere på en målprøve og tilbyde endnu højere opløsning og stærkere signal. Den første elektronspin-qubit i hexagonalt bornitrid, som kan eksistere i et enkelt lag, banede vejen til det mål, blev bygget i 2019 ved at fjerne et boratom fra atomgitteret og fange en elektron i dets sted. Såkaldte bor ledige elektronspin-qubits tilbød også en fristende vej til at kontrollere det nukleare spin af nitrogenatomerne, der omgiver hver elektronspin-qubit i gitteret.

I dette arbejde etablerede Li og hans team en grænseflade mellem fotoner og nukleare spins i ultratynde hexagonale bornitrider.

De nukleare spins kan initialiseres optisk - indstillet til et kendt spin - via de omgivende elektronspin-qubits. Når først den er initialiseret, kan en radiofrekvens bruges til at ændre den nukleare spin-qubit, i det væsentlige "skrive" information, eller til at måle ændringer i de nukleare spin-qubits, eller "læse" information. Deres metode udnytter tre nitrogenkerner ad gangen med mere end 30 gange længere kohærenstider end elektron-qubits ved stuetemperatur. Og 2D-materialet kan lægges direkte på et andet materiale, hvilket skaber en indbygget sensor.

"Et 2D nuklear spin-gitter vil være velegnet til storskala kvantesimulering," sagde Li. "Det kan arbejde ved højere temperaturer end superledende qubits."

For at kontrollere en nuklear spin-qubit begyndte forskerne med at fjerne et boratom fra gitteret og erstatte det med en elektron. Elektronen sidder nu i midten af ​​tre nitrogenatomer. På dette tidspunkt er hver nitrogenkerne i en tilfældig spin-tilstand, som kan være -1, 0 eller +1.

Dernæst pumpes elektronen til en spin-tilstand på 0 med laserlys, hvilket har en ubetydelig effekt på nitrogenkernens spin.

Endelig fremtvinger en hyperfin interaktion mellem den exciterede elektron og de tre omgivende nitrogenkerner en ændring i kernens spin. Når cyklussen gentages flere gange, når kernens spin tilstanden +1, hvor den forbliver uanset gentagne interaktioner. Med alle tre kerner sat til +1-tilstanden, kan de bruges som en trio af qubits.

Hos Purdue fik Li selskab af Xingyu Gao, Sumukh Vaidya, Peng Ju, Boyang Jiang, Zhujing Xu, Andres E. Llacsahuanga Allcca, Kunhong Shen, Sunil A. Bhave og Yong P. Chen samt samarbejdspartnerne Kejun Li og Yuan Ping ved University of California, Santa Cruz, og Takashi Taniguchi og Kenji Watanabe ved National Institute for Materials Science i Japan.

"Nuclear spin polarization and control in hexagonal bornitrid" er udgivet i Nature Materials . + Udforsk yderligere

Ny metode til at kontrollere qubits kunne fremme kvantecomputere