نانومواد لوله ای کربن، خانه ای ایده آل برای چرخاندن بیت های کوانتومی

6 مارس 2023 -توسط جوزف ای. هارمون، آزمایشگاه ملی آرگون -ارائه هنری نانولوله کربنی اصلاح شده شیمیایی که میزبان یک الکترون در حال چرخش به عنوان کیوبیت است. اعتبار: آزمایشگاه ملی آرگون

دانشمندان به شدت در حال رقابت برای تبدیل اکتشافات خلاف واقع در مورد قلمرو کوانتومی از یک قرن گذشته به فناوری های آینده هستند. واحد سازنده در این فناوری ها بیت کوانتومی یا کیوبیت است. چندین نوع مختلف در دست توسعه هستند، از جمله مواردی که از نقص در ساختارهای متقارن الماس و سیلیکون استفاده می کنند. آنها ممکن است روزی محاسبات را متحول کنند، کشف دارو را تسریع کنند، شبکه های غیرقابل هک و موارد دیگر را ایجاد کنند.

دانشمندان در آزمایشگاه ملی آرگون وابسته به وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) با همکاری محققانی از چندین دانشگاه، روشی را برای معرفی الکترون های چرخان به عنوان کیوبیت در یک نانو ماده میزبان کشف کردند. نتایج آزمایش آن‌ها زمان‌های انسجام طولانی را نشان داد – ویژگی کلیدی برای هر کیوبیت عملی، زیرا تعداد عملیات کوانتومی را که می‌توان در طول عمر کیوبیت انجام داد، مشخص می‌کند.

الکترون ها دارای ویژگی مشابه با چرخش هستند، با یک تفاوت کلیدی. وقتی آن ها در جای خود می چرخند، می توانند به سمت راست یا چپ بچرخند. الکترون ها می توانند طوری رفتار کنند که گویی همزمان در هر دو جهت می چرخند. این یک ویژگی کوانتومی به نام برهم نهی است. قرار گرفتن همزمان در دو حالت باعث می شود که الکترون ها کاندیدهای خوبی برای کیوبیت های اسپینی باشند.

کیوبیت‌های اسپین به یک ماده مناسب برای نگهداری، کنترل و شناسایی آنها و همچنین خواندن اطلاعات موجود در آنها نیاز دارند. با در نظر گرفتن این موضوع، تیم تحقیق روی نانوموادی را انتخاب کرد که فقط از اتم‌های کربن ساخته شده است، شکل لوله‌ای توخالی دارد و ضخامت آن تنها در حدود یک نانومتر یا یک میلیاردیم متر است که تقریباً 100000 برابر نازک‌تر از موی انسان عرض یک نانومتر است.

Xuedan Ma گفت: «این نانولوله‌های کربنی معمولاً چند میکرومتر طول دارند. آنها عمدتاً فاقد اسپین های نوسانی هسته ای هستند که با اسپین الکترون تداخل می کنند و زمان انسجام آن را کاهش می دهند.

ما دانشمندی در مرکز مواد نانومقیاس Argonne (CNM)، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE است. او همچنین در دانشکده مهندسی مولکولی پریتزکر در دانشگاه شیکاگو و موسسه علوم و مهندسی Northwestern-Argonne در دانشگاه نورث وسترن کار دارد.

مشکلی که تیم با آن مواجه شد این است که نانولوله های کربنی به تنهایی نمی توانند الکترون در حال چرخش را در یک مکان حفظ کنند. در اطراف نانولوله حرکت می کند. محققان گذشته الکترودهایی را با فاصله نانومتری از هم قرار داده اند تا یک الکترون در حال چرخش را بین آنها محدود کنند. اما این چیدمان بزرگ، گران و چالش برانگیز است.

تیم فعلی راهی برای حذف نیاز به الکترود یا سایر دستگاه‌های نانومقیاس برای محدود کردن الکترون ابداع کرد. در عوض، آنها ساختار اتمی یک نانولوله کربنی را به گونه‌ای تغییر می‌دهند که الکترون در حال چرخش را در یک مکان به دام می‌اندازد.

جیا شیانگ چن شیمیدان می گوید: «برای رضایت ما، روش اصلاح شیمیایی ما یک کیوبیت چرخشی فوق العاده پایدار در یک نانولوله کربنی ایجاد می کند. چن یکی از اعضای CNM و یک محقق فوق دکترا در مرکز انتقال کوانتومی مولکولی در دانشگاه نورث وسترن است.

نتایج آزمایش این تیم زمان‌های انسجام طولانی‌تری را در مقایسه با سیستم‌های ساخته‌شده با ابزارهای دیگر – 10 میکروثانیه – نشان داد.

با توجه به اندازه کوچک آنها، پلتفرم اسپین کیوبیت تیم را می توان به راحتی در دستگاه های کوانتومی ادغام کرد و راه های ممکن زیادی را برای خواندن اطلاعات کوانتومی امکان پذیر می کند. همچنین لوله های کربنی بسیار منعطف هستند و می توان از ارتعاشات آنها برای ذخیره اطلاعات کیوبیت استفاده کرد.

ما گفت: «از اسپین کیوبیت ما در یک نانولوله کربنی تا فناوری‌های عملی فاصله زیادی است، اما این یک گام اولیه بزرگ در این مسیر است.

یافته های این تیم در Nature Communications گزارش شده است.