Как опубликовано в понедельник (15 августа) в Природные материалы Исследовательская группа использовала электронные спиновые кубиты в качестве датчиков атомного масштаба, а также для осуществления первого экспериментального контроля ядерных спиновых кубитов в ультратонком гексагональном нитриде бора.

"Это первая работа, демонстрирующая оптическую инициализацию и когерентное управление ядерными спинами в двумерных материалах", - сказал автор-корреспондент Тонгканг Ли, адъюнкт-профессор физики и астрономии, электротехники и вычислительной техники Пердью и член Института квантовой науки и техники Пердью.

"Теперь мы можем использовать свет для инициализации ядерных спинов, и с помощью этого контроля мы можем записывать и считывать квантовую информацию с ядерными спинами в 2D-материалах. Этот метод может иметь множество различных применений в квантовой памяти, квантовом зондировании и квантовом моделировании".

Квантовая технология зависит от кубита, который является квантовой версией классического компьютерного бита. Он часто строится с использованием атома, субатомной частицы или фотона вместо кремниевого транзистора. В электронном или ядерном спиновом кубите знакомое двоичное состояние "0" или "1" классического компьютерного бита представлено спином, свойством, которое в общих чертах аналогично магнитной полярности - это означает, что спин чувствителен к электромагнитному полю. Чтобы выполнить любую задачу, вращение сначала должно быть контролируемым и последовательным, или длительным.

Затем спиновый кубит можно использовать в качестве датчика, исследующего, например, структуру белка или температуру мишени с наноразмерным разрешением. Электроны, захваченные в дефектах 3D-кристаллов алмаза, обеспечивают разрешение изображения и зондирования в диапазоне 10-100 нанометров.

Но кубиты, встроенные в однослойные или двумерные материалы, могут приблизиться к целевому образцу, обеспечивая еще более высокое разрешение и более сильный сигнал. Прокладывая путь к этой цели, первый электронно-спиновый кубит в гексагональном нитриде бора, который может существовать в одном слое, был создан в 2019 году путем удаления атома бора из решетки атомов и захвата электрона на его месте. Так называемые кубиты электронного спина вакансии бора также предлагали заманчивый путь к управлению ядерным спином атомов азота, окружающих каждый электронный спиновый кубит в решетке.

В этой работе Ли и его команда установили границу раздела между фотонами и ядерными спинами в ультратонких гексагональных нитридах бора.

Ядерные спины могут быть оптически инициализированы - установлены на известный спин - с помощью окружающих электронных спиновых кубитов. После инициализации радиочастота может использоваться для изменения ядерного спинового кубита, по существу "записывая" информацию, или для измерения изменений в ядерных спиновых кубитах, или "считывания" информации. Их метод использует три ядра азота одновременно, что обеспечивает более чем в 30 раз большее время когерентности, чем у электронных кубитов при комнатной температуре. И 2D-материал может быть наложен непосредственно на другой материал, создавая встроенный датчик.

"Двумерная ядерная спиновая решетка подойдет для крупномасштабного квантового моделирования", - сказал Ли. "Он может работать при более высоких температурах, чем сверхпроводящие кубиты".

Чтобы управлять ядерным спиновым кубитом, исследователи начали с удаления атома бора из решетки и замены его электроном. Электрон теперь находится в центре трех атомов азота. В этот момент каждое ядро азота находится в случайном спиновом состоянии, которое может быть -1, 0 или +1.

Затем электрон накачивается до спинового состояния 0 лазерным излучением, которое оказывает незначительное влияние на спин ядра азота.

Наконец, сверхтонкое взаимодействие между возбужденным электроном и тремя окружающими ядрами азота приводит к изменению спина ядра. Когда цикл повторяется несколько раз, спин ядра достигает состояния +1, где он остается независимо от повторяющихся взаимодействий. Когда все три ядра установлены в состояние +1, их можно использовать как три кубита.

В Пердью к Ли присоединились Синью Гао, Сумук Вайдья, Пэн Джу, Боян Цзян, Чжуцзин Сюй, Андрес Э. Льясахуанга Оллкка, Кунхонг Шен, Сунил А. Бхаве и Ен П. Чен, а также сотрудники Кэджун Ли и Юань Пин из Калифорнийского университета в Санта-Крусе и Такаши Танигути и Кэндзи Ватанабе из Национального института материаловедения в Японии.