Quantumcomputers beloven een revolutionaire technologie te zijn omdat hun elementaire bouwstenen, qubits, kan meer informatie bevatten dan het binaire, 0-of-1 bits van klassieke computers. Maar om dit vermogen te benutten, hardware moet worden ontwikkeld die toegang heeft tot, individuele kwantumtoestanden meten en manipuleren.

Onderzoekers van de School of Engineering and Applied Science van de University of Pennsylvania hebben nu een nieuw hardwareplatform gedemonstreerd op basis van geïsoleerde elektronenspins in een tweedimensionaal materiaal. De elektronen worden gevangen door defecten in platen van hexagonaal boornitride, een één-atoom dik halfgeleidermateriaal, en de onderzoekers waren in staat om de kwantumtoestanden van het systeem optisch te detecteren.

De studie werd geleid door Lee Bassett, universitair docent bij de afdeling Electrical and Systems Engineering, en Annemarie Exarhos, daarna een postdoctoraal onderzoeker in zijn lab.

Collega Bassett Lab-leden David Hopper en Raj Patel, samen met Marcus Doherty van de Australian National University, heeft ook meegewerkt aan het onderzoek.

Het werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , waar het werd geselecteerd als een Editor's Highlight.

Er zijn een aantal potentiële architecturen voor het bouwen van kwantumtechnologie. Een veelbelovend systeem omvat elektronenspins in diamanten:deze spins zitten ook vast bij defecten in het regelmatige kristallijne patroon van diamant waar koolstofatomen ontbreken of worden vervangen door andere elementen. De defecten werken als geïsoleerde atomen of moleculen, en ze interageren met licht op een manier die het mogelijk maakt hun spin te meten en te gebruiken als een qubit.

Deze systemen zijn aantrekkelijk voor kwantumtechnologie omdat ze kunnen werken bij kamertemperatuur, in tegenstelling tot andere prototypes gebaseerd op ultrakoude supergeleiders of ionen die in vacuüm zijn gevangen, maar werken met bulkdiamant brengt zijn eigen uitdagingen met zich mee.

"Een nadeel van het gebruik van spins in 3D-materialen is dat we niet precies kunnen bepalen waar ze zich ten opzichte van het oppervlak bevinden", zegt Bassett. "Dat niveau van controle op atomaire schaal is een reden om in 2D te werken. Misschien wil je een spin hier en een spin daar plaatsen en ze met elkaar laten praten. Of als je een spin in een laag wilt hebben van één materiaal en plof er een 2D-magneetlaag op en laat ze interageren.Als de spins beperkt zijn tot een enkel atomair vlak, je activeert tal van nieuwe functionaliteiten."

Met nanotechnologische vooruitgang die een groeiende bibliotheek van 2D-materialen produceert om uit te kiezen, Bassett en zijn collega's zochten degene die het meest zou lijken op een platte analoog van bulkdiamant.

"Je zou denken dat de analoog grafeen zou zijn, dat slechts een honingraatrooster van koolstofatomen is, maar hier geven we meer om de elektronische eigenschappen van het kristal dan om wat voor soort atomen het is gemaakt, " zegt Exarhos, die nu een assistent-professor natuurkunde is aan de Lafayette University. "Grafeen gedraagt ​​zich als een metaal, terwijl diamant een halfgeleider met een brede bandgap is en dus als een isolator werkt. Zeshoekig boornitride, anderzijds, heeft dezelfde honingraatstructuur als grafeen, maar, zoals diamant, het is ook een halfgeleider met een brede bandgap en wordt al veel gebruikt als een diëlektrische laag in 2D-elektronica."

Met hexagonaal boornitride, of h-BN, algemeen verkrijgbaar en goed gekarakteriseerd, Bassett en zijn collega's concentreerden zich op een van de minder goed begrepen aspecten:defecten in het honingraatrooster dat licht kan uitstralen.

Dat het gemiddelde stukje h-BN defecten bevat die licht uitstralen, was al eerder bekend. De groep van Bassett is de eerste die laat zien dat, voor sommige van die gebreken, de intensiteit van het uitgezonden licht verandert als reactie op een magnetisch veld.

"We schijnen licht van de ene kleur op het materiaal en we krijgen fotonen van een andere kleur terug, Bassett zegt. "De magneet regelt de spin en de spin regelt het aantal fotonen dat de defecten in het h-BN uitzenden. Dat is een signaal dat je mogelijk als qubit kunt gebruiken."

Voorbij de berekening, het hebben van de bouwsteen van de qubits van een kwantummachine op een 2D-oppervlak maakt andere potentiële toepassingen mogelijk die afhankelijk zijn van nabijheid.

"Kwantumsystemen zijn supergevoelig voor hun omgeving, daarom zijn ze zo moeilijk te isoleren en te controleren, ', zegt Bassett. 'Maar de keerzijde is dat je die gevoeligheid kunt gebruiken om nieuwe soorten sensoren te maken. In principe, deze kleine spins kunnen miniatuur nucleaire magnetische resonantiedetectoren zijn, zoals het soort gebruikt in MRI's, maar met het vermogen om op een enkel molecuul te werken.

Nucleaire magnetische resonantie wordt momenteel gebruikt om meer te weten te komen over de moleculaire structuur, maar het vereist miljoenen of miljarden van het doelmolecuul om tot een kristal te worden geassembleerd. In tegenstelling tot, 2-D kwantumsensoren kunnen de structuur en interne dynamiek van individuele moleculen meten, bijvoorbeeld om chemische reacties en eiwitvouwing te bestuderen.

Terwijl de onderzoekers een uitgebreid onderzoek uitvoerden naar h-BN-defecten om defecten te ontdekken die speciale spinafhankelijke optische eigenschappen hebben, de exacte aard van die gebreken is nog onbekend. De volgende stappen voor het team zijn onder meer begrijpen wat sommige, maar niet alles, defecten die reageren op magnetische velden, en vervolgens die nuttige defecten opnieuw te creëren.

Een deel van dat werk zal mogelijk worden gemaakt door Penn's Singh Center for Nanotechnology en zijn nieuwe JEOL NEOARM-microscoop. De enige transmissie-elektronenmicroscoop in zijn soort in de Verenigde Staten, de NEOARM is in staat om afzonderlijke atomen op te lossen en mogelijk zelfs het soort defecten te creëren waarmee de onderzoekers willen werken.

"Deze studie brengt twee belangrijke gebieden van wetenschappelijk onderzoek samen, " zegt Bassett. "Aan de ene kant, er is enorm veel werk verzet in het uitbreiden van de bibliotheek met 2D-materialen en het begrijpen van de fysica die ze vertonen en de apparaten die ze kunnen maken. Anderzijds, er is de ontwikkeling van deze verschillende kwantumarchitecturen. En dit is een van de eersten die ze samenbracht om te zeggen:'hier is een mogelijk kwantumarchitectuur op kamertemperatuur in een 2D-materiaal'."