Двумерная платформа для квантовой технологии. Квантовые компьютеры обещают быть революционной технологией, потому что их элементарные строительные блоки, кубиты, могут хранить больше информации, чем двоичные, 0 или 1 биты классических компьютеров. Но чтобы использовать эту возможность, необходимо разработать аппаратное обеспечение, которое может получать доступ, измерять и манипулировать отдельными квантовыми состояниями.

Исследователи из Школы инженерных и прикладных наук Университета Пенсильвании теперь продемонстрировали новую аппаратную платформу, основанную на изолированных электронных спинах в двумерном материале. Электроны захватываются дефектами в слоях гексагонального нитрида бора, полупроводникового материала толщиной в один атом, и исследователи смогли оптически обнаружить квантовые состояния системы. Фото: Энн Сайзмор Блевинс

Исследователи из Школы инженерных и прикладных наук Университета Пенсильвании теперь продемонстрировали новую аппаратную платформу, основанную на изолированных электронных спинах в двумерном материале. Электроны захватываются дефектами в слоях гексагонального нитрида бора, полупроводникового материала толщиной в один атом, и исследователи смогли оптически обнаружить квантовые состояния системы.

Руководили исследованием Ли Бассетт, доцент кафедры электротехники и системотехники, и Аннемари Экзархос, затем доктор наук в своей лаборатории.

Члены Лаборатории Бассетт Дэвид Хоппер и Радж Патель вместе с Маркусом Доэрти из Австралийского национального университета также внесли свой вклад в исследование.

Он был опубликован в журнале Nature Communications , где он был выбран в качестве основного события редактора.

Существует ряд потенциальных архитектур для построения квантовых технологий. Одна многообещающая система включает электронные спины в алмазах: эти спины также захватываются дефектами в правильной кристаллической структуре алмаза, где атомы углерода отсутствуют или заменены другими элементами. Дефекты действуют как изолированные атомы или молекулы, и они взаимодействуют со светом таким образом, что позволяет измерять их спин и использовать его как кубит.

Эти системы привлекательны для квантовой технологии, потому что они могут работать при комнатных температурах, в отличие от других прототипов, основанных на сверх холодных сверхпроводниках или ионах, захваченных в вакууме, но работа с объемным алмазом представляет свои собственные проблемы.

«Одним из недостатков использования спинов в трехмерных материалах является то, что мы не можем точно контролировать их расположение относительно поверхности», — говорит Бассетт. «Наличие такого уровня контроля атомного масштаба является одной из причин работать в 2-х измерениях. Может быть, вы хотите разместить здесь одно вращение и одно вращение и попросить их поговорить друг с другом. Или, если вы хотите получить вращение в слое из одного материала и нанести сверху слой двумерного магнита, чтобы они взаимодействовали. Когда спины ограничены одной атомной плоскостью, вы активируете множество новых функций».

В связи с достижениями нанотехнологий, создающими расширяющуюся библиотеку двумерных материалов, Бассетт и его коллеги искали тот, который больше всего походил бы на плоский аналог объемного алмаза.

«Вы могли бы подумать, что аналогом будет графен, который представляет собой просто сотовую решетку из атомов углерода, но здесь мы больше заботимся об электронных свойствах кристалла, чем о том, из какого типа он сделан», — говорит Экзарх, который сейчас является помощником. профессор физики в университете Лафайет. «Графен ведет себя как металл, в то время как алмаз является широкозонным полупроводником и, таким образом, действует как изолятор. Гексагональный нитрид бора, с другой стороны, имеет такую ​​же сотовую структуру, что и графен, но, как и алмаз, он также является широкозонным полупроводником и уже широко используется в качестве диэлектрического слоя в двумерной электронике».

С гексагональным нитридом бора, или h-BN, широко доступным и хорошо охарактеризованным, Бассетт и его коллеги сосредоточились на одном из его менее понятных аспектов: дефектах в его сотовой решетке, которая может излучать свет.

То, что средний кусок h-BN содержит дефекты, которые излучают свет, было известно ранее. Группа Бассетта первой показывает, что для некоторых из этих дефектов интенсивность излучаемого света изменяется в ответ на магнитное поле.

«Мы излучаем свет одного цвета на материал и получаем фотоны другого цвета», — говорит Бассетт. «Магнит контролирует вращение, а вращение контролирует количество фотонов, которые испускают дефекты в h-BN. Это сигнал, который вы можете использовать как кубит».

Помимо вычислений, наличие строительного блока кубитов квантовой машины на двумерной поверхности позволяет использовать другие потенциальные приложения, которые зависят от близости.

«Квантовые системы очень чувствительны к окружающей среде, поэтому их так трудно изолировать и контролировать», — говорит Бассетт. «Но с другой стороны, вы можете использовать эту чувствительность для создания новых типов датчиков. В принципе, эти маленькие спины могут быть миниатюрными детекторами ядерного магнитного резонанса, подобными тем, которые используются в МРТ, но с возможностью работать на одной молекуле.

Ядерный магнитный резонанс в настоящее время используется для изучения молекулярной структуры, но он требует, чтобы миллионы или миллиарды молекулы-мишени были собраны в кристалл. В отличие от этого, двумерные квантовые датчики могут измерять структуру и внутреннюю динамику отдельных молекул, например, для изучения химических реакций и сворачивания белка.

В то время как исследователи провели обширный обзор дефектов h-BN, чтобы обнаружить те, которые имеют специальные спин-зависимые оптические свойства, точная природа этих дефектов до сих пор неизвестна. Следующие шаги для команды включают понимание того, что делает некоторые, но не все, дефекты чувствительными к магнитным полям, а затем воссоздание этих полезных дефектов.

Некоторые из этих работ будут выполнены Центром нанотехнологий Пенна Сингха и его новым микроскопом JEOL NEOARM. NEOARM — единственный в США подобный просвечивающий электронный микроскоп, способный разрешать отдельные атомы и даже создавать дефекты, с которыми хотят работать исследователи.

«Это исследование объединяет две основные области научных исследований», — говорит Бассетт. «С одной стороны, была проделана огромная работа по расширению библиотеки двумерных материалов и пониманию физики, которую они демонстрируют, и устройств, которые они могут сделать. С другой стороны, есть развитие этих различных квантовых архитектур. И это один из первых, кто объединил их, чтобы сказать: «Это потенциально квантовая архитектура при комнатной температуре в двумерном материале».

По материалам phys.org