Kvanteteknologi avhenger av qubit, bygget med et atom, subatomær partikkel eller foton. I en elektron- eller kjernespinn-qubit er den kjente binære "0" eller "1"-tilstanden til en klassisk datamaskinbit representert av spinn, en egenskap som er løst analog med magnetisk polaritet - noe som betyr at spinnet er følsomt for et elektromagnetisk felt. For å utføre en oppgave må spinningen først være kontrollert og sammenhengende eller holdbar.
Purdue University forskere har låst opp et nytt område innen kvantevitenskap og teknologi ved å bruke fotoner og elektronspinn-qubits for å regulere kjernefysiske spinn i et todimensjonalt materiale. De brukte elektronspinn-qubits som sensorer i atomskala for å utføre den første eksperimentelle kontrollen av kjernefysiske spinn-qubits i ultratynt sekskantet bornitrid.
Studien kan føre til applikasjoner som kjernemagnetisk resonansspektroskopi i atomskala. Det kan også tillate lesing og skriving kvanteinformasjon med atomspinn i 2D-materialer.
Tilsvarende forfatter Tongcang Li, en førsteamanuensis i Purdue i fysikk, astronomi og elektro- og datateknikk, sa: "Dette er det første arbeidet som viser optisk initialisering og sammenhengende kontroll av kjernefysiske spinn i 2D-materialer. Nå kan vi bruke lys til å initialisere kjernefysiske spinn, og med den kontrollen kan vi skrive og lese kvanteinformasjon med atomspinn i 2D-materialer. Denne metoden kan ha mange forskjellige bruksområder kvanteminne, kvantesansing og kvantesimulering.»
Forskere etablerte først et grensesnitt mellom fotoner og kjernefysiske spinn i ultratynne sekskantede bornitrider.
De omkringliggende elektronspinn-qubits kan optisk initialisere kjernefysiske spinn eller sette dem til et kjent spinn. Når den er initialisert, kan en radiofrekvens brukes til å "skrive" informasjon ved å endre kjernefysisk spinn-qubit eller "lese" informasjon ved å måle endringer i kjernespinn-qubits. Teknikken deres bruker tre nitrogenatomer på en gang og har koherensperioder som er mer enn 30 ganger lengre enn elektron-qubits ved omgivelsestemperatur. I tillegg kan en sensor inkorporeres i 2D-materialet ved å fysisk legge det på toppen av et annet materiale.
Li sa, "Et 2D kjernefysisk spinngitter vil være egnet for storskala kvantesimulering. Det kan fungere ved høyere temperaturer enn superledende qubits».
Forskere startet med å fjerne et boratom fra gitteret og erstatte det med et elektron for å kontrollere en kjernefysisk spinn-qubit. Tre nitrogenatomer omgir elektronet på dette tidspunktet. Hver nitrogenkjerne er for øyeblikket i en tilfeldig spinntilstand, som kan være enten -1, 0 eller +1.
Deretter pumpes elektronet til en spinn-tilstand på 0 med laserlys, som har en ubetydelig effekt på spinn av nitrogenkjernen.
Til slutt fremtvinger en hyperfin interaksjon mellom det eksiterte elektronet og de tre omkringliggende nitrogenkjernene en endring i kjernens spinn. Når syklusen gjentas flere ganger, når kjernens spinn tilstanden +1, hvor den forblir uavhengig av gjentatte interaksjoner. Med alle tre kjernene satt til +1-tilstanden, kan de brukes som en trio av qubits.
Tidsreferanse:
- Tongcang Li, Nukleær spinnpolarisering og kontroll i sekskantet bornitrid, Nature Materials (2022). GJØR JEG: 10.1038/s41563-022-01329-8.
