Die Quantentechnologie hängt vom Qubit ab, das aus einem Atom, einem subatomaren Teilchen oder einem Photon besteht. In einem Elektronen- oder Kernspin-Qubit wird der vertraute binäre „0“- oder „1“-Zustand eines klassischen Computerbits durch Spin dargestellt, eine Eigenschaft, die grob analog zur magnetischen Polarität ist – was bedeutet, dass der Spin empfindlich auf ein elektromagnetisches Feld reagiert. Um eine Aufgabe auszuführen, muss der Spin zuerst kontrolliert und kohärent oder dauerhaft sein.
Purdue University Forscher haben ein neues Gebiet der Quantenwissenschaft und -technologie erschlossen, indem sie Photonen und Elektronenspin-Qubits verwenden, um Kernspins in einem zweidimensionalen Material zu regulieren. Sie verwendeten Elektronenspin-Qubits als Sensoren im atomaren Maßstab, um die erste experimentelle Kontrolle von Kernspin-Qubits in ultradünnem hexagonalem Bornitrid zu bewirken.
Die Studie könnte zu Anwendungen wie der Kernspinresonanzspektroskopie im atomaren Maßstab führen. Es könnte auch das Lesen und Schreiben ermöglichen Quanteninformation mit Kernspins in 2D-Materialien.
Der korrespondierende Autor Tongcang Li, außerordentlicher Professor für Physik, Astronomie sowie Elektro- und Computertechnik bei Purdue, sagte: „Dies ist die erste Arbeit, die die optische Initialisierung und kohärente Kontrolle von Kernspins in 2D-Materialien zeigt. Jetzt können wir Licht verwenden, um Kernspins zu initialisieren, und mit dieser Kontrolle können wir Quanteninformationen mit Kernspins in 2D-Materialien schreiben und lesen. Diese Methode kann viele verschiedene Anwendungen haben Quantenspeicher, Quantensensorik und Quantensimulation.“
Wissenschaftler stellten erstmals eine Grenzfläche zwischen Photonen und Kernspins in ultradünnen hexagonalen Bornitriden her.
Die umgebenden Elektronenspin-Qubits können die Kernspins optisch initialisieren oder auf einen bekannten Spin setzen. Nach der Initialisierung kann eine Hochfrequenz verwendet werden, um Informationen zu „schreiben“, indem das Kernspin-Qubit geändert wird, oder um Informationen zu „lesen“, indem Änderungen in den Kernspin-Qubits gemessen werden. Ihre Technik verwendet drei Stickstoffatome gleichzeitig und hat Kohärenzzeiten, die mehr als 30-mal länger sind als die von Elektronen-Qubits bei Umgebungstemperatur. Zusätzlich kann ein Sensor in das 2D-Material integriert werden, indem er physikalisch auf ein anderes Material geschichtet wird.
Li sagte, „Ein 2D-Kernspin-Gitter wird für die Quantensimulation im großen Maßstab geeignet sein. Es kann bei höheren Temperaturen als Supraleitung arbeiten Qubits"
Die Forscher begannen damit, ein Boratom aus dem Gitter zu entfernen und es durch ein Elektron zu ersetzen, um ein Kernspin-Qubit zu steuern. Drei Stickstoffatome umgeben das Elektron zu diesem Zeitpunkt. Jeder Stickstoffkern befindet sich derzeit in einem zufälligen Spinzustand, der entweder -1, 0 oder +1 sein kann.
Als nächstes wird das Elektron mit Laserlicht in einen Spinzustand von 0 gepumpt, was einen vernachlässigbaren Effekt auf den Spin des Stickstoffkerns hat.
Schließlich erzwingt eine Hyperfeinwechselwirkung zwischen dem angeregten Elektron und den drei umgebenden Stickstoffkernen eine Änderung des Kernspins. Wenn der Zyklus mehrmals wiederholt wird, erreicht der Spin des Kerns den +1-Zustand, wo er unabhängig von wiederholten Wechselwirkungen bleibt. Wenn alle drei Kerne auf den Zustand +1 gesetzt sind, können sie als Trio von Qubits verwendet werden.
Journal Referenz:
- Tongcang Li, Kernspinpolarisation und -kontrolle in hexagonalem Bornitrid, Nature Materials (2022). zurück 10.1038/s41563-022-01329-8.
