Os computadores quânticos prometem ser uma tecnologia revolucionária porque seus blocos de construção elementares, qubits, pode conter mais informações do que o binário, 0 ou 1 bits de computadores clássicos. Mas para aproveitar essa capacidade, deve ser desenvolvido hardware que possa acessar, medir e manipular estados quânticos individuais.

Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia agora demonstraram uma nova plataforma de hardware baseada em spins de elétrons isolados em um material bidimensional. Os elétrons são presos por defeitos em folhas de nitreto de boro hexagonal, um material semicondutor de um átomo de espessura, e os pesquisadores foram capazes de detectar opticamente os estados quânticos do sistema.

O estudo foi liderado por Lee Bassett, professor assistente do Departamento de Engenharia Elétrica e de Sistemas, e Annemarie Exarhos, em seguida, um pesquisador de pós-doutorado em seu laboratório.

Membros do Bassett Lab, David Hopper e Raj Patel, junto com Marcus Doherty da Australian National University, também contribuíram para o estudo.

Foi publicado na revista Nature Communications , onde foi selecionado como Destaque do Editor.

Existem várias arquiteturas potenciais para a construção de tecnologia quântica. Um sistema promissor envolve spins de elétrons em diamantes:esses spins também estão presos em defeitos no padrão cristalino regular do diamante, onde átomos de carbono estão faltando ou são substituídos por outros elementos. Os defeitos agem como átomos ou moléculas isoladas, e eles interagem com a luz de uma forma que permite que seu spin seja medido e usado como um qubit.

Esses sistemas são atraentes para a tecnologia quântica porque podem operar em temperatura ambiente, ao contrário de outros protótipos baseados em supercondutores ultrafrios ou íons presos no vácuo, mas trabalhar com diamantes a granel apresenta seus próprios desafios.

"Uma desvantagem de usar spins em materiais 3-D é que não podemos controlar exatamente onde eles estão em relação à superfície", diz Bassett. "Ter esse nível de controle de escala atômica é uma razão para trabalhar em 2-D. Talvez você queira colocar um spin aqui e outro ali e fazer com que eles conversem entre si. Ou se você quiser ter um spin em uma camada de um material e coloque uma camada de ímã 2-D no topo e faça com que eles interajam. Quando os spins estão confinados a um único plano atômico, você habilita uma série de novas funcionalidades. "

Com os avanços nanotecnológicos, produzindo uma biblioteca em expansão de materiais 2-D para escolher, Bassett e seus colegas procuraram aquele que mais se parecesse com um análogo plano de diamante a granel.

"Você pode pensar que o análogo seria o grafeno, que é apenas uma rede em favo de mel de átomos de carbono, mas aqui nos preocupamos mais com as propriedades eletrônicas do cristal do que com o tipo de átomo de que ele é feito, "diz Exarhos, que agora é professor assistente de Física na Universidade Lafayette. "O grafeno se comporta como um metal, enquanto o diamante é um semicondutor de banda larga e, portanto, atua como um isolante. Nitreto de boro hexagonal, por outro lado, tem a mesma estrutura de favo de mel que o grafeno, mas, como diamante, ele também é um semicondutor de banda larga e já é amplamente usado como uma camada dielétrica em eletrônicos 2-D. "

Com nitreto de boro hexagonal, ou h-BN, amplamente disponível e bem caracterizado, Bassett e seus colegas se concentraram em um de seus aspectos menos compreendidos:defeitos em sua estrutura em forma de favo de mel que pode emitir luz.

Que o pedaço médio de h-BN contém defeitos que emitem luz já era conhecido. O grupo de Bassett é o primeiro a mostrar que, para alguns desses defeitos, a intensidade da luz emitida muda em resposta a um campo magnético.

"Nós lançamos luz de uma cor no material e recebemos fótons de outra cor de volta, "Bassett diz." O ímã controla o spin e o spin controla o número de fótons que os defeitos no h-BN emitem. Esse é um sinal que você pode usar potencialmente como um qubit. "

Além da computação, ter o bloco de construção dos qubits de uma máquina quântica em uma superfície 2-D permite outras aplicações potenciais que dependem da proximidade.

"Os sistemas quânticos são super sensíveis aos seus ambientes, é por isso que eles são tão difíceis de isolar e controlar, "Bassett diz." Mas o outro lado é que você pode usar essa sensibilidade para fazer novos tipos de sensores. Em princípio, esses pequenos spins podem ser detectores de ressonância magnética nuclear em miniatura, como o tipo usado em ressonâncias magnéticas, mas com a capacidade de operar em uma única molécula.

A ressonância magnética nuclear é usada atualmente para aprender sobre a estrutura molecular, mas requer milhões ou bilhões da molécula alvo para ser montada em um cristal. Em contraste, Sensores quânticos 2-D podem medir a estrutura e a dinâmica interna de moléculas individuais, por exemplo, para estudar reações químicas e enovelamento de proteínas.

Enquanto os pesquisadores realizaram uma extensa pesquisa de defeitos de h-BN para descobrir aqueles que têm propriedades ópticas dependentes de spin especiais, a natureza exata desses defeitos ainda é desconhecida. As próximas etapas para a equipe incluem entender o que torna alguns, mas nem todos, defeitos responsivos a campos magnéticos, e então recriar esses defeitos úteis.

Parte desse trabalho será habilitado pelo Penn's Singh Center for Nanotechnology e seu novo microscópio JEOL NEOARM. O único microscópio eletrônico de transmissão desse tipo nos Estados Unidos, o NEOARM é capaz de resolver átomos individuais e potencialmente até criar os tipos de defeitos com os quais os pesquisadores querem trabalhar.

"Este estudo reúne duas grandes áreas de pesquisa científica, "Bassett diz." Por um lado, tem havido muito trabalho para expandir a biblioteca de materiais 2-D e entender a física que eles exibem e os dispositivos que podem fazer. Por outro lado, há o desenvolvimento dessas diferentes arquiteturas quânticas. E este é um dos primeiros a reuni-los para dizer 'aqui está uma arquitetura quântica potencialmente à temperatura ambiente em um material 2-D.' "