Η κβαντική τεχνολογία εξαρτάται από το qubit, κατασκευασμένο με άτομο, υποατομικό σωματίδιο ή φωτόνιο. Σε ένα qubit ηλεκτρονίου ή πυρηνικού spin, η γνωστή δυαδική κατάσταση "0" ή "1" ενός κλασικού bit υπολογιστή αντιπροσωπεύεται από σπιν, μια ιδιότητα που είναι χαλαρά ανάλογη με τη μαγνητική πολικότητα - που σημαίνει ότι το σπιν είναι ευαίσθητο σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Για να εκτελέσετε οποιαδήποτε εργασία, η περιστροφή πρέπει πρώτα να είναι ελεγχόμενη και συνεκτική ή ανθεκτική.
Πανεπιστήμιο Purdue Οι ερευνητές έχουν ξεκλειδώσει μια νέα περιοχή της κβαντικής επιστήμης και τεχνολογίας χρησιμοποιώντας φωτόνια και qubit spin ηλεκτρονίων για να ρυθμίσουν τα πυρηνικά σπιν σε ένα δισδιάστατο υλικό. Χρησιμοποίησαν qubits σπιν ηλεκτρονίων ως αισθητήρες ατομικής κλίμακας για να πραγματοποιήσουν τον πρώτο πειραματικό έλεγχο των qubits πυρηνικής σπιν σε εξαιρετικά λεπτό εξαγωνικό νιτρίδιο βορίου.
Η μελέτη θα μπορούσε να οδηγήσει σε εφαρμογές όπως η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού ατομικής κλίμακας. Θα μπορούσε επίσης να επιτρέπει την ανάγνωση και τη γραφή κβαντικές πληροφορίες με πυρηνικά σπιν σε δισδιάστατα υλικά.
Ο αντίστοιχος συγγραφέας Tongcang Li, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής, αστρονομίας και ηλεκτρολογίας και μηχανικής υπολογιστών στο Purdue, είπε: «Αυτή είναι η πρώτη εργασία που δείχνει οπτική αρχικοποίηση και συνεκτικό έλεγχο των πυρηνικών περιστροφών σε δισδιάστατα υλικά. Τώρα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το φως για να αρχικοποιήσουμε τα πυρηνικά σπιν και με αυτόν τον έλεγχο, μπορούμε να γράψουμε και να διαβάσουμε κβαντικές πληροφορίες με πυρηνικές περιστροφές σε δισδιάστατα υλικά. Αυτή η μέθοδος μπορεί να έχει πολλές διαφορετικές εφαρμογές κβαντική μνήμη, κβαντική ανίχνευση και κβαντική προσομοίωση."
Οι επιστήμονες δημιούργησαν για πρώτη φορά μια διεπαφή μεταξύ φωτονίων και πυρηνικών σπιν σε εξαιρετικά λεπτά εξαγωνικά νιτρίδια βορίου.
Τα γύρω qubits σπιν ηλεκτρονίων μπορούν να αρχικοποιήσουν οπτικά τα πυρηνικά σπιν ή να τα ρυθμίσουν σε ένα γνωστό σπιν. Μόλις αρχικοποιηθεί, μια ραδιοσυχνότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να «γράψει» πληροφορίες αλλάζοντας το qubit πυρηνικού σπιν ή «διαβάσει» πληροφορίες μετρώντας τις αλλαγές στα qubit πυρηνικού σπιν. Η τεχνική τους χρησιμοποιεί τρία άτομα αζώτου ταυτόχρονα και έχει περιόδους συνοχής περισσότερες από 30 φορές μεγαλύτερες από αυτές των qubit ηλεκτρονίων σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Επιπλέον, ένας αισθητήρας μπορεί να ενσωματωθεί στο δισδιάστατο υλικό τοποθετώντας το φυσικά πάνω σε άλλο υλικό.
Li είπε, «Ένα δισδιάστατο πυρηνικό πλέγμα σπιν θα είναι κατάλληλο για μεγάλης κλίμακας κβαντική προσομοίωση. Μπορεί να λειτουργήσει σε υψηλότερες θερμοκρασίες από το υπεραγώγιμο qubits. "
Οι ερευνητές ξεκίνησαν αφαιρώντας ένα άτομο βορίου από το πλέγμα και αντικαθιστώντας το με ένα ηλεκτρόνιο για να ελέγξουν ένα qubit πυρηνικής σπιν. Τρία άτομα αζώτου περιβάλλουν το ηλεκτρόνιο αυτή τη στιγμή. Κάθε πυρήνας αζώτου βρίσκεται επί του παρόντος σε κατάσταση τυχαίας περιστροφής, η οποία μπορεί να είναι είτε -1, 0 ή +1.
Στη συνέχεια, το ηλεκτρόνιο αντλείται σε κατάσταση σπιν 0 με φως λέιζερ, το οποίο έχει αμελητέα επίδραση στο σπιν του πυρήνα του αζώτου.
Τέλος, μια υπερλεπτή αλληλεπίδραση μεταξύ του διεγερμένου ηλεκτρονίου και των τριών γύρω πυρήνων αζώτου αναγκάζει μια αλλαγή στο σπιν του πυρήνα. Όταν ο κύκλος επαναλαμβάνεται πολλές φορές, το σπιν του πυρήνα φτάνει στην κατάσταση +1, όπου παραμένει ανεξάρτητα από επαναλαμβανόμενες αλληλεπιδράσεις. Με τους τρεις πυρήνες ρυθμισμένους στην κατάσταση +1, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως τρίο qubits.
Αναφορά στο περιοδικό:
- Tongcang Li, Πόλωση πυρηνικού σπιν και έλεγχος σε εξαγωνικό νιτρίδιο βορίου, Φύση Υλικά (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01329-8.
