Door fotonen en elektronenspinqubits te gebruiken om kernspins in een tweedimensionaal materiaal te controleren, hebben onderzoekers van Purdue University een nieuwe grens in de kwantumwetenschap en -technologie geopend, waardoor toepassingen zoals nucleaire magnetische resonantiespectroscopie op atomaire schaal en het lezen en schrijven van kwantum informatie met kernspins in 2D-materialen.

Zoals gepubliceerd op maandag (15 aug.) in Nature Materials , gebruikte het onderzoeksteam elektronenspinqubits als sensoren op atomaire schaal, en ook om de eerste experimentele controle van nucleaire spin-qubits in ultradun hexagonaal boornitride te bewerkstelligen.

"Dit is het eerste werk dat optische initialisatie en coherente controle van nucleaire spins in 2D-materialen laat zien", zegt de corresponderende auteur Tongcang Li, een Purdue universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie en elektrische en computertechniek, en lid van het Purdue Quantum Science and Engineering Institute .

"Nu kunnen we licht gebruiken om kernspins te initialiseren en met die controle kunnen we kwantuminformatie schrijven en lezen met kernspins in 2D-materialen. Deze methode kan veel verschillende toepassingen hebben in kwantumgeheugen, kwantumdetectie en kwantumsimulatie."

Quantumtechnologie is afhankelijk van de qubit, de kwantumversie van een klassieke computerbit. Het is vaak gebouwd met een atoom, subatomair deeltje of foton in plaats van een siliciumtransistor. In een elektron- of kernspinqubit wordt de bekende binaire "0"- of "1"-toestand van een klassieke computerbit weergegeven door spin, een eigenschap die losjes analoog is aan magnetische polariteit - wat betekent dat de spin gevoelig is voor een elektromagnetisch veld. Om een ​​taak uit te voeren, moet de spin eerst gecontroleerd en coherent of duurzaam zijn.

De spin-qubit kan dan worden gebruikt als een sensor, die bijvoorbeeld de structuur van een eiwit of de temperatuur van een doelwit meet met een resolutie op nanoschaal. Elektronen die gevangen zitten in de defecten van 3D-diamantkristallen hebben een beeld- en detectieresolutie geproduceerd in het bereik van 10-100 nanometer.

Maar qubits die zijn ingebed in enkellaagse of 2D-materialen, kunnen dichter bij een doelmonster komen, wat een nog hogere resolutie en sterker signaal oplevert. Het eerste elektronenspinqubit in hexagonaal boornitride, dat in een enkele laag kan bestaan, baande de weg naar dat doel en werd in 2019 gebouwd door een booratoom uit het rooster van atomen te verwijderen en een elektron op zijn plaats te vangen. Zogenaamde boorvacature-elektronen-spinqubits boden ook een verleidelijke manier om de kernspin van de stikstofatomen rond elk elektronenspinqubit in het rooster te beheersen.

In dit werk hebben Li en zijn team een ​​interface vastgesteld tussen fotonen en kernspins in ultradunne hexagonale boornitriden.

De kernspins kunnen optisch worden geïnitialiseerd - ingesteld op een bekende spin - via de omringende elektronenspinqubits. Eenmaal geïnitialiseerd, kan een radiofrequentie worden gebruikt om de kernspin-qubit te veranderen, in wezen "schrijvende" informatie, of om veranderingen in de kernspin-qubits te meten, of informatie te "lezen". Hun methode maakt gebruik van drie stikstofkernen tegelijk, met meer dan 30 keer langere coherentietijden dan die van elektronenqubits bij kamertemperatuur. En het 2D-materiaal kan direct op een ander materiaal worden gelaagd, waardoor een ingebouwde sensor ontstaat.

"Een 2D-kernspinrooster zal geschikt zijn voor grootschalige kwantumsimulatie", zei Li. "Het kan werken bij hogere temperaturen dan supergeleidende qubits."

Om een ​​kernspinqubit te besturen, begonnen onderzoekers een booratoom uit het rooster te verwijderen en het te vervangen door een elektron. Het elektron zit nu in het midden van drie stikstofatomen. Op dit punt bevindt elke stikstofkern zich in een willekeurige spintoestand, die -1, 0 of +1 kan zijn.

Vervolgens wordt het elektron met laserlicht naar een spin-toestand van 0 gepompt, wat een verwaarloosbaar effect heeft op de spin van de stikstofkern.

Ten slotte dwingt een hyperfijne interactie tussen het geëxciteerde elektron en de drie omringende stikstofkernen een verandering in de spin van de kern. Wanneer de cyclus meerdere keren wordt herhaald, bereikt de spin van de kern de +1-toestand, waar hij blijft ongeacht herhaalde interacties. Met alle drie de kernen ingesteld op de +1-status, kunnen ze worden gebruikt als een trio van qubits.

Bij Purdue werd Li vergezeld door Xingyu Gao, Sumukh Vaidya, Peng Ju, Boyang Jiang, Zhujing Xu, Andres E. Llacsahuanga Allcca, Kunhong Shen, Sunil A. Bhave en Yong P. Chen, evenals medewerkers Kejun Li en Yuan Ping aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, en Takashi Taniguchi en Kenji Watanabe aan het National Institute for Materials Science in Japan.

"Nucleaire spinpolarisatie en controle in hexagonaal boornitride" is gepubliceerd in Nature Materials . + Verder verkennen

Nieuwe methode om qubits te besturen kan kwantumcomputers vooruit helpen