Kvanteteknologi afhænger af qubit, bygget med et atom, subatomær partikel eller foton. 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.
Purdue University forskere har låst op for et nyt område inden for kvantevidenskab og -teknologi ved at bruge fotoner og elektronspin-qubits til at regulere nukleare spins i et todimensionelt materiale. De brugte elektronspin-qubits som sensorer i atom-skala til at udføre den første eksperimentelle kontrol af nukleare spin-qubits i ultratynd hexagonal bornitrid.
Undersøgelsen kan føre til anvendelser som atom-skala kernemagnetisk resonansspektroskopi. Det kunne også tillade læsning og skrivning kvanteinformation med nukleare spins i 2D-materialer.
Tilsvarende forfatter Tongcang Li, en Purdue-lektor i fysik, astronomi og elektro- og computerteknik, sagde: "Dette er det første arbejde, der viser optisk initialisering og sammenhængende kontrol af nukleare spins i 2D-materialer. 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 i kvantehukommelse, kvantesansning og kvantesimulering."
Forskere etablerede først en grænseflade mellem fotoner og nukleare spins i ultratynde hexagonale bornitrider.
De omgivende elektronspin-qubits kan optisk initialisere de nukleare spins eller sætte dem til et kendt spin. Når først den er initialiseret, kan en radiofrekvens bruges til at "skrive" information ved at ændre den nukleare spin-qubit eller "læse" information ved at måle ændringer i de nukleare spin-qubits. Deres teknik bruger tre nitrogenatomer på én gang og har kohærensperioder mere end 30 gange længere end elektron-qubits ved omgivelsestemperatur. Derudover kan en sensor inkorporeres i 2D-materialet ved fysisk at lægge den oven på et andet materiale.
Li sagde, "Et 2D nuklear spin-gitter vil være velegnet til storskala kvantesimulering. Det kan arbejde ved højere temperaturer end superledende qubits".
Forskere startede med at fjerne et boratom fra gitteret og erstatte det med en elektron for at kontrollere en nuklear spin-qubit. Tre nitrogenatomer omgiver elektronen på dette tidspunkt. Hver nitrogenkerne er i øjeblikket i en tilfældig spin-tilstand, som kan være enten -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.
Journal Reference:
- Tongcang Li, Nuklear spin polarisering og kontrol i hexagonal bornitrid, Nature Materials (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01329-8.
