הטכנולוגיה הקוונטית תלויה בקיוביט, הבנוי עם אטום, חלקיק תת-אטומי או פוטון. בקווביט ספין אלקטרוני או גרעיני, המצב הבינארי "0" או "1" המוכר של סיבית מחשב קלאסית מיוצג על ידי ספין, תכונה המקבילה באופן רופף לקוטביות מגנטית - כלומר הספין רגיש לשדה אלקטרומגנטי. כדי לבצע כל משימה, הספין חייב להיות קודם מבוקר וקוהרנטי או עמיד.
אוניברסיטת Purdue חוקרים פתחו תחום חדש של מדע וטכנולוגיה קוונטית על ידי שימוש בפוטונים ובקווביטים של ספין אלקטרונים כדי לווסת ספינים גרעיניים בחומר דו מימדי. הם השתמשו בקוביטים של ספין אלקטרונים כחיישנים בקנה מידה אטומי כדי לבצע את הבקרה הניסויית הראשונה של קיוביטים של ספין גרעיני בבור ניטריד משושה דק במיוחד.
המחקר עשוי להוביל ליישומים כמו ספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית בקנה מידה אטומי. זה יכול גם לאפשר קריאה וכתיבה מידע קוונטי עם ספינים גרעיניים בחומרים דו מימדיים.
הסופר המקביל טונגצ'אנג לי, פרופסור חבר לפיזיקה, אסטרונומיה והנדסת חשמל ומחשבים בפורדו, אמר, "זו העבודה הראשונה המציגה אתחול אופטי ושליטה קוהרנטית של ספינים גרעיניים בחומרים דו-ממדיים. כעת אנו יכולים להשתמש באור כדי לאתחל ספינים גרעיניים, ועם הבקרה הזו, נוכל לכתוב ולקרוא מידע קוונטי עם ספינים גרעיניים בחומרים דו-ממדיים. לשיטה זו יכולים להיות יישומים רבים ושונים זיכרון קוונטי, חישה קוונטית וסימולציה קוונטית."
מדענים הקימו לראשונה ממשק בין פוטונים וספינים גרעיניים בניטרידות בורון משושה דקות במיוחד.
קיוביטי ספין האלקטרונים שמסביב יכולים לאתחל את הספינים הגרעיניים באופן אופטי או להגדיר אותם לספין ידוע. לאחר האתחול, ניתן להשתמש בתדר רדיו כדי "לכתוב" מידע על ידי שינוי קוביט הספין הגרעיני או "קריאת" מידע על ידי מדידת שינויים בקוביטים של הספין הגרעיני. הטכניקה שלהם משתמשת בשלושה אטומי חנקן בבת אחת ויש לה תקופות קוהרנטיות ארוכות יותר מפי 30 מאלו של קיוביטים אלקטרונים בטמפרטורת הסביבה. בנוסף, ניתן לשלב חיישן בחומר הדו-ממדי על ידי שכבה פיזית שלו על גבי חומר אחר.
Li אמר, "סריג ספין גרעיני דו מימדי יתאים לסימולציה קוונטית בקנה מידה גדול. זה יכול לעבוד בטמפרטורות גבוהות יותר מאשר מוליך-על קווביטים".
חוקרים התחילו בהסרת אטום בורון מהסריג והחלפתו באלקטרון כדי לשלוט על קוביט ספין גרעיני. שלושה אטומי חנקן מקיפים את האלקטרון בזמן זה. כל גרעין חנקן נמצא כעת במצב ספין אקראי, שיכול להיות -1, 0 או +1.
לאחר מכן, האלקטרון נשאב למצב ספין של 0 עם אור לייזר, אשר לו השפעה זניחה על הספין של גרעין החנקן.
לבסוף, אינטראקציה היפר-דקה בין האלקטרון הנרגש לשלושת גרעיני החנקן שמסביב מאלצת שינוי בספין של הגרעין. כאשר המחזור חוזר על עצמו מספר פעמים, הספין של הגרעין מגיע למצב +1, שם הוא נשאר ללא קשר לאינטראקציות חוזרות. כאשר כל שלושת הגרעינים מוגדרים למצב +1, הם יכולים לשמש כשלישיית קיוביטים.
עיון ביומן:
- Tongcang Li, קיטוב ושליטה בספין גרעיני בבור ניטריד משושה, חומרי טבע (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01329-8.
