Kvantna tehnologija je odvisna od kubita, zgrajenega iz atoma, subatomskega delca ali fotona. V elektronskem ali jedrskem spin kubitu je znano binarno stanje "0" ali "1" klasičnega računalniškega bita predstavljeno s spinom, lastnostjo, ki je ohlapno podobna magnetni polarnosti - kar pomeni, da je spin občutljiv na elektromagnetno polje. Za opravljanje katere koli naloge mora biti vrtenje najprej nadzorovano in skladno ali trajno.
Purdue University raziskovalci so odklenili novo področje kvantne znanosti in tehnologije z uporabo fotonov in elektronskih spinskih kubitov za uravnavanje jedrskih vrtljajev v dvodimenzionalnem materialu. Uporabili so elektronske spin kubite kot senzorje na atomskem merilu, da bi izvedli prvo eksperimentalno kontrolo jedrskih spin kubitov v ultratankem heksagonalnem borovem nitridu.
Študija bi lahko vodila do aplikacij, kot je jedrska magnetnoresonančna spektroskopija na atomskem merilu. Omogoča tudi branje in pisanje kvantne informacije z jedrskimi vrtljaji v 2D materialih.
Dopisni avtor Tongcang Li, izredni profesor fizike, astronomije ter elektrotehnike in računalništva v Purdueju, je dejal, »To je prvo delo, ki prikazuje optično inicializacijo in koherentno kontrolo jedrskih vrtljajev v 2D materialih. Zdaj lahko uporabimo svetlobo za inicializacijo jedrskih vrtljajev in s tem nadzorom lahko pišemo in beremo kvantne informacije z jedrskimi vrtljaji v 2D materialih. Ta metoda ima lahko veliko različnih aplikacij kvantni spomin, kvantno zaznavanje in kvantna simulacija.«
Znanstveniki so najprej vzpostavili vmesnik med fotoni in jedrskimi vrtljaji v ultratankih heksagonalnih borovih nitridih.
Okoliški elektronski vrtilni kubiti lahko optično inicializirajo jedrske vrtljaje ali jih nastavijo na znano vrtenje. Ko je inicializirana, se radijska frekvenca lahko uporabi za "zapisovanje" informacij s spreminjanjem jedrskega spin kubita ali "branje" informacij z merjenjem sprememb v jedrskih spin kubitih. Njihova tehnika uporablja tri dušikove atome hkrati in ima koherenčne dobe več kot 30-krat daljše od tistih pri elektronskih kubitih pri sobni temperaturi. Poleg tega je senzor mogoče vključiti v 2D material tako, da ga fizično položite na vrh drugega materiala.
Li je dejal, »2D jedrska spin-mreža bo primerna za obsežno kvantno simulacijo. Lahko deluje pri višjih temperaturah kot superprevodni qubits«.
Raziskovalci so začeli z odstranitvijo atoma bora iz rešetke in njegovo zamenjavo z elektronom za nadzor jedrskega vrtilnega kubita. Trije atomi dušika obdajajo elektron v tem trenutku. Vsako dušikovo jedro je trenutno v naključnem vrtilnem stanju, ki je lahko -1, 0 ali +1.
Nato se elektron z lasersko svetlobo črpa v spinsko stanje 0, kar ima zanemarljiv učinek na vrtenje dušikovega jedra.
Končno hiperfina interakcija med vzbujenim elektronom in tremi okoliškimi dušikovimi jedri povzroči spremembo vrtenja jedra. Ko se cikel večkrat ponovi, spin jedra doseže stanje +1, kjer ostane ne glede na ponavljajoče se interakcije. Ko so vsa tri jedra nastavljena na stanje +1, jih je mogoče uporabiti kot trio kubitov.
Referenca dnevnika:
- Tongcang Li, Jedrska spinska polarizacija in nadzor v heksagonalnem borovem nitridu, Nature Materials (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01329-8.
