室温,二维量子技术平台

室温,二维量子技术平台

量子计算机有望成为一种革命性的技术,因为它们的基本构造块量子比特比传统计算机的二进制0或1比特能容纳更多的信息。但要利用这一能力,必须开发能够访问、测量和操纵单个量子态的硬件。

宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员现在已经演示了一种基于二维材料中孤立电子自旋的新硬件平台。电子被六角氮化硼(一种单原子厚度的半导体材料)中的缺陷所捕获,研究人员能够用光学方法检测系统的量子态。

这项研究是由电气和系统工程系的助理教授LeeBassett和AnnemarieExarhos领导的,后者当时是他的实验室的博士后研究员。

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宾夕法尼亚大学的工程师们正在探索二维材料六角形氮化硼作为室温量子技术的平台。被困在材料缺陷中的原子自旋对磁场很敏感,它们的状态可以通过激光访问,使它们能够被用作量子比特。(插图:Ann Sizemore Blevins)

巴塞特实验室的成员大卫·霍珀和拉杰·帕特尔,以及澳大利亚国立大学的马库斯·多尔蒂也参与了这项研究。

构建量子技术有许多潜在的体系结构。一个有希望的系统涉及到钻石中的电子自旋:这些自旋也被困在钻石规则晶体结构的缺陷中,在那里碳原子丢失或被其他元素取代。这些缺陷就像孤立的原子或分子,它们以一种方式与光相互作用,使它们的自旋可以被测量并用作量子位。

这些系统对量子技术很有吸引力,因为它们可以在室温下工作,不同于其他基于超冷超导体或真空中的离子的原型,但与大块金刚石一起工作也有其自身的挑战。

巴塞特说:“在3D材料中使用自旋的一个缺点是我们无法精确控制它们相对于表面的位置。”“拥有这样的原子尺度控制是在二维空间中工作的一个原因。也许你想在这里放置一个自旋,在那里放置一个自旋,然后让它们彼此交谈。或者,如果你想在一个材料层中旋转,然后在顶部放置一个二维磁铁层,让它们相互作用。当自旋仅限于一个原子平面时,您将启用许多新功能。”

随着纳米技术的进步,生产出一个可供选择的二维材料的扩展库,巴塞特和他的同事们找到了一个最像大块钻石的平面模拟物。

“你可能会认为类似物是石墨烯,它只是碳原子的蜂窝状晶格,但在这里,我们更关心的是晶体的电子性质,而不是它是由什么类型的原子构成的,”Exarhos说,他现在是拉斐特大学的物理助理教授。石墨烯的行为就像一种金属,而金刚石是一种宽带隙半导体,因此它的行为就像绝缘体。另一方面,六角形氮化硼与石墨烯具有相同的蜂窝结构,但与金刚石一样,它也是一种宽带隙半导体,在二维电子技术中已被广泛用作介电层。”

随着六角形氮化硼,或H-BN,广泛可用和特点良好,巴塞特和他的同事集中在其不太容易理解的一个方面:在蜂窝状晶格缺陷,可以发射光。

H-Bn的平均部分含有以前已知的发光缺陷。巴塞特的小组是第一个证明,对于其中一些缺陷,发射光的强度随着磁场的变化而变化的。

巴塞特说:“我们把一种颜色的光照射到材料上,然后又得到另一种颜色的光子。”“磁铁控制自旋,自旋控制H-BN缺陷发射的光子数量。这是一个信号,你可以用它作为量子比特。”

除了计算之外,在二维表面上拥有量子机量子比特的构造块还可以实现其他依赖于邻近度的潜在应用。

巴塞特说:“量子系统对它们的环境非常敏感,这就是为什么它们很难被隔离和控制的原因。”但另一方面,你可以利用这种灵敏度制造新型传感器。原则上,这些小自旋可以是微型核磁共振探测器,就像磁共振成像中使用的那种,但是能够在单个分子上工作。

核磁共振目前被用来研究分子结构,但它需要数百万或数十亿个靶分子组装成晶体。相反,二维量子传感器可以测量单个分子的结构和内部动力学,例如研究化学反应和蛋白质折叠。

虽然研究人员对H-BN缺陷进行了广泛的调查,以发现那些具有特殊自旋相关光学特性的缺陷,但这些缺陷的确切性质仍然未知。团队的下一步工作包括了解是什么使某些(而不是全部)缺陷对磁场产生响应,然后重新创建这些有用的缺陷。

其中一些工作将由宾夕法尼亚大学的辛格纳米技术中心及其新的Jeol Neoarm显微镜完成。Neoarm是美国唯一的一种透射电子显微镜,它能够分辨单个原子,甚至有可能制造出研究人员想要研究的缺陷。

巴塞特说:“这项研究汇集了两个主要的科学研究领域。”“一方面,在扩展二维材料库和了解它们所展示的物理以及它们可以制造的设备方面,已经做了大量的工作。另一方面,这些不同的量子体系结构得到了发展。这是第一个将它们结合在一起说“这是一个潜在的二维材料中的室温量子结构。”

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