La technologie quantique dépend du qubit, construit avec un atome, une particule subatomique ou un photon. Dans un qubit de spin électronique ou nucléaire, l'état binaire familier « 0 » ou « 1 » d'un bit d'ordinateur classique est représenté par le spin, une propriété qui est vaguement analogue à la polarité magnétique, ce qui signifie que le spin est sensible à un champ électromagnétique. Pour effectuer n’importe quelle tâche, la rotation doit d’abord être contrôlée et cohérente ou durable.
Purdue University Les chercheurs ont ouvert un nouveau domaine de la science et de la technologie quantiques en utilisant des photons et des qubits de spin électronique pour réguler les spins nucléaires dans un matériau bidimensionnel. Ils ont utilisé des qubits de spin électronique comme capteurs à l’échelle atomique pour effectuer le premier contrôle expérimental des qubits de spin nucléaire dans du nitrure de bore hexagonal ultra-mince.
L’étude pourrait déboucher sur des applications telles que la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire à l’échelle atomique. Cela pourrait également permettre de lire et d'écrire informations quantiques avec des spins nucléaires dans des matériaux 2D.
L'auteur correspondant Tongcang Li, professeur agrégé à Purdue de physique, d'astronomie et de génie électrique et informatique, a déclaré : « Il s’agit du premier travail montrant l’initialisation optique et le contrôle cohérent des spins nucléaires dans des matériaux 2D. Nous pouvons désormais utiliser la lumière pour initialiser les spins nucléaires, et grâce à ce contrôle, nous pouvons écrire et lire des informations quantiques avec des spins nucléaires dans des matériaux 2D. Cette méthode peut avoir de nombreuses applications différentes dans mémoire quantique, la détection quantique et la simulation quantique.
Les scientifiques ont d’abord établi une interface entre les photons et les spins nucléaires dans des nitrures de bore hexagonaux ultrafins.
Les qubits de spin électronique environnants peuvent initialiser optiquement les spins nucléaires ou les régler sur un spin connu. Une fois initialisée, une radiofréquence peut être utilisée pour « écrire » des informations en modifiant le qubit de spin nucléaire ou pour « lire » des informations en mesurant les changements dans les qubits de spin nucléaire. Leur technique utilise trois atomes d’azote à la fois et présente des périodes de cohérence plus de 30 fois plus longues que celles des qubits électroniques à température ambiante. De plus, un capteur peut être incorporé au matériau 2D en le superposant physiquement sur un autre matériau.
Li a affirmé Valérie Plante., « Un réseau de spin nucléaire 2D conviendra à la simulation quantique à grande échelle. Il peut fonctionner à des températures plus élevées que le supraconducteur qubits. »
Les chercheurs ont commencé par retirer un atome de bore du réseau et le remplacer par un électron pour contrôler un qubit de spin nucléaire. Trois atomes d’azote entourent alors l’électron. Chaque noyau d'azote est actuellement dans un état de spin aléatoire, qui peut être -1, 0 ou +1.
Ensuite, l’électron est pompé vers un état de spin de 0 avec une lumière laser, ce qui a un effet négligeable sur le spin du noyau d’azote.
Enfin, une interaction hyperfine entre l’électron excité et les trois noyaux d’azote environnants force une modification du spin du noyau. Lorsque le cycle est répété plusieurs fois, le spin du noyau atteint l’état +1, où il reste quelles que soient les interactions répétées. Avec les trois noyaux réglés à l’état +1, ils peuvent être utilisés comme un trio de qubits.
Journal de référence:
- Tongcang Li, Polarisation et contrôle de spin nucléaire dans le nitrure de bore hexagonal, Nature Materials (2022). EST CE QUE JE: 10.1038/s41563-022-01329-8.
