量子技術は、原子、亜原子粒子、または光子で構築された量子ビットに依存しています。 電子または核スピン キュービットでは、古典的なコンピューター ビットのよく知られたバイナリ "0" または "1" 状態は、スピンによって表されます。これは、磁気極性に大まかに類似している特性です。つまり、スピンは電磁場に敏感です。 タスクを実行するには、まずスピンを制御し、一貫性または耐久性を持たせる必要があります。
パデュー大学 研究者は、光子と電子スピン キュービットを利用して XNUMX 次元物質の核スピンを制御することにより、量子科学と技術の新しい領域を切り開きました。 彼らは、電子スピン量子ビットを原子スケールのセンサーとして使用して、極薄の六方晶窒化ホウ素における核スピン量子ビットの最初の実験的制御を実現しました。
この研究は、原子スケールの核磁気共鳴分光法などのアプリケーションにつながる可能性があります。 また、読み取りと書き込みを許可することもできます 量子情報 2D マテリアルの核スピンを使用。
パデュー大学の物理学、天文学、電気およびコンピューター工学の准教授である責任著者の Tongcang Li 氏は、次のように述べています。 「これは、2D 物質における核スピンの光学的初期化とコヒーレント制御を示す最初の研究です。 光を使って核スピンを初期化できるようになり、その制御により、2D 物質の核スピンを使って量子情報を読み書きできるようになりました。 この方法には、さまざまな用途があります。 量子メモリ、量子センシング、量子シミュレーションです。」
科学者たちは、極薄の六方晶窒化ホウ素の光子と核スピンの間の界面を最初に確立しました。
周囲の電子スピン キュービットは、核スピンを光学的に初期化するか、既知のスピンに設定することができます。 初期化されると、無線周波数を使用して、核スピン キュービットを変更して情報を「書き込む」か、核スピン キュービットの変化を測定して情報を「読み取る」ことができます。 彼らの技術は、一度に 30 つの窒素原子を使用し、周囲温度での電子キュビットのコヒーレンス周期よりも 2 倍以上長いコヒーレンス周期を持っています。 さらに、別の素材の上にセンサーを物理的に重ねることで、センサーを XNUMXD 素材に組み込むことができます。
Li と, 「2D 核スピン格子は、大規模な量子シミュレーションに適しています。 超電導よりも高い温度で動作することができます キュビットに設立された地域オフィスに加えて、さらにローカルカスタマーサポートを提供できるようになります。」
研究者は、核スピン量子ビットを制御するために、格子からホウ素原子を取り除き、それを電子に置き換えることから始めました。 このとき、1つの窒素原子が電子を取り囲んでいます。 現在、各窒素原子核はランダムなスピン状態にあり、-0、1、または +XNUMX のいずれかになります。
次に、電子はレーザー光でスピン状態 0 にポンピングされますが、これは窒素原子核のスピンにほとんど影響を与えません。
最後に、励起された電子と周囲の 1 つの窒素原子核との間の超微細相互作用により、原子核のスピンが変化します。 このサイクルが複数回繰り返されると、原子核のスピンは +1 の状態に達し、相互作用が繰り返されてもそのまま残ります。 XNUMX つの核すべてを +XNUMX 状態に設定すると、XNUMX つの量子ビットとして使用できます。
ジャーナルリファレンス：
- Tongcang Li、六方晶窒化ホウ素における核スピン分極と制御、 ネイチャーマテリアルズ （2022）。 DOI： 10.1038/s41563-022-01329-8.
