توسط دانشگاه پردو 15 اوت 2022 – اعتبار: Secondbay Studio
محققان مرز جدیدی را در علم و فناوری کوانتومی با استفاده از فوتون ها و کیوبیت های اسپین الکترونی برای کنترل اسپین های هسته ای در یک ماده دو بعدی باز کرده اند. این کار کاربردهایی مانند طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای در مقیاس اتمی و توانایی خواندن و نوشتن اطلاعات کوانتومی با اسپین‌های هسته‌ای در مواد دوبعدی را ممکن می‌سازد.
همانطور که (15 اوت) در Nature Materials منتشر شد، تیم تحقیقاتی از دانشگاه پردو از کیوبیت‌های اسپین الکترون به عنوان حسگرهای مقیاس اتمی و همچنین برای اعمال اولین کنترل تجربی کیوبیت‌های اسپین هسته‌ای در نیترید بور شش ضلعی فوق‌العاده نازک استفاده کردند.
تانگ‌چانگ لی، استادیار فیزیک و نجوم و مهندسی برق و کامپیوتر پوردو و عضو مؤسسه علوم و مهندسی کوانتومی پوردو، گفت: «این اولین کاری است که شروع اولیه نوری و کنترل منسجم چرخش‌های هسته‌ای در مواد دو بعدی را نشان می‌دهد.» .
اکنون می‌توانیم از نور برای مقداردهی اولیه اسپین‌های هسته‌ای استفاده کنیم و با آن کنترل، می‌توانیم اطلاعات کوانتومی را با اسپین‌های هسته‌ای در مواد دوبعدی بنویسیم و بخوانیم. این روش می تواند کاربردهای مختلفی در حافظه کوانتومی، سنجش کوانتومی و شبیه سازی کوانتومی داشته باشد.
فناوری کوانتومی به کیوبیت (بیت کوانتومی) بستگی دارد که نسخه کوانتومی یک بیت کامپیوتر کلاسیک است. به جای یک ترانزیستور سیلیکونی، یک کیوبیت اغلب با یک اتم، ذره زیر اتمی یا فوتون ساخته می شود. در یک الکترون یا کیوبیت اسپین هسته‌ای، حالت دودویی آشنا «0» یا «1» یک بیت کامپیوتری کلاسیک با اسپین نشان داده می‌شود، خاصیتی که تقریباً مشابه قطبیت مغناطیسی است – به این معنی که اسپین به یک میدان الکترومغناطیسی حساس است. برای انجام هر کاری، چرخش ابتدا باید کنترل شده و منسجم یا بادوام باشد.
سپس از اسپین کیوبیت می‌توان به‌عنوان حسگر استفاده کرد، مثلاً ساختار یک پروتئین یا دمای یک هدف با وضوح نانو را بررسی کرد. الکترون‌هایی که در نقص بلورهای الماس سه بعدی به دام افتاده‌اند، وضوح تصویربرداری و سنجش را در محدوده 100-10 نانومتری تولید کرده‌اند.
با این حال، کیوبیت‌های تعبیه‌شده در مواد تک لایه یا دو بعدی، می‌توانند به نمونه هدف نزدیک‌تر شوند و وضوح بالاتر و سیگنال قوی‌تری ارائه دهند. برای رسیدن به این هدف، اولین کیوبیت اسپین الکترون در نیترید بور شش ضلعی، که می تواند در یک لایه وجود داشته باشد، در سال 2019 با حذف یک اتم بور از شبکه اتم ها و به دام انداختن یک الکترون در جای آن ساخته شد. به اصطلاح کیوبیت‌های اسپین الکترون خالی بور نیز یک مسیر وسوسه‌انگیز برای کنترل اسپین هسته‌ای اتم‌های نیتروژن اطراف هر کیوبیت اسپین الکترون در شبکه ارائه می‌دهند.در این کار، لی و تیمش رابطی بین فوتون ها و اسپین های هسته ای در نیتریدهای بور شش ضلعی بسیار نازک ایجاد کردند.
اسپین‌های هسته‌ای را می‌توان از طریق کیوبیت‌های اسپین الکترون اطراف، به صورت نوری مقداردهی کرد – روی یک اسپین شناخته شده تنظیم کرد. پس از شروع اولیه، فرکانس رادیویی می‌تواند برای تغییر کیوبیت اسپین هسته‌ای، اساساً «نوشتن» اطلاعات، یا اندازه‌گیری تغییرات در کیوبیت‌های اسپین هسته‌ای یا اطلاعات «خواندن» استفاده شود. روش آنها سه هسته نیتروژن را در یک زمان مهار می کند، با زمان انسجام بیش از 30 برابر بیشتر از کیوبیت های الکترونی در دمای اتاق. و مواد دو بعدی را می توان مستقیماً روی ماده دیگری قرار داد و یک حسگر داخلی ایجاد کرد.
لی گفت: «شبکه اسپین هسته‌ای دوبعدی برای شبیه‌سازی کوانتومی در مقیاس بزرگ مناسب خواهد بود. این می تواند در دمای بالاتر از کیوبیت های ابررسانا کار کند.
برای کنترل یک کیوبیت اسپین هسته ای، دانشمندان با حذف یک اتم بور از شبکه و جایگزینی آن با یک الکترون شروع کردند. اکنون الکترون در مرکز سه اتم نیتروژن قرار دارد. در این مرحله، هر هسته نیتروژن در یک حالت اسپین تصادفی قرار دارد که ممکن است 1-، 0 یا 1+ باشد.
سپس، الکترون با نور لیزر به حالت اسپین صفر پمپاژ می شود که تأثیر ناچیزی بر اسپین هسته نیتروژن دارد.
در نهایت، یک برهمکنش بسیار ظریف بین الکترون برانگیخته و سه هسته نیتروژن اطراف آن باعث تغییر در اسپین هسته می شود. هنگامی که چرخه چندین بار تکرار می شود، اسپین هسته به حالت +1 می رسد، جایی که بدون توجه به برهمکنش های مکرر باقی می ماند. با تنظیم هر سه هسته در حالت +1، می توان از آنها به عنوان سه کیوبیت استفاده کرد.
