Ao usar fótons e qubits de spin de elétrons para controlar spins nucleares em um material bidimensional, pesquisadores da Purdue University abriram uma nova fronteira na ciência e tecnologia quântica, permitindo aplicações como espectroscopia de ressonância magnética nuclear em escala atômica e para ler e escrever quantum informações com spins nucleares em materiais 2D.
Conforme publicado na segunda-feira (15 de agosto) em Nature Materials , a equipe de pesquisa usou qubits de spin de elétrons como sensores em escala atômica e também para efetuar o primeiro controle experimental de qubits de spin nuclear em nitreto de boro hexagonal ultrafino.

"Este é o primeiro trabalho mostrando inicialização óptica e controle coerente de spins nucleares em materiais 2D", disse o autor correspondente Tongcang Li, professor associado de física e astronomia de Purdue e engenharia elétrica e de computação, e membro do Instituto de Ciência e Engenharia Quântica de Purdue. .

"Agora podemos usar a luz para inicializar spins nucleares e com esse controle, podemos escrever e ler informações quânticas com spins nucleares em materiais 2D. Esse método pode ter muitas aplicações diferentes em memória quântica, sensoriamento quântico e simulação quântica."

A tecnologia quântica depende do qubit, que é a versão quântica de um bit de computador clássico. Muitas vezes é construído com um átomo, partícula subatômica ou fóton em vez de um transistor de silício. Em um qubit de elétron ou spin nuclear, o familiar estado binário "0" ou "1" de um bit de computador clássico é representado pelo spin, uma propriedade que é vagamente análoga à polaridade magnética - o que significa que o spin é sensível a um campo eletromagnético. Para realizar qualquer tarefa, o giro deve primeiro ser controlado e coerente, ou durável.

O spin qubit pode então ser usado como um sensor, sondando, por exemplo, a estrutura de uma proteína ou a temperatura de um alvo com resolução em nanoescala. Os elétrons presos nos defeitos dos cristais de diamante 3D produziram imagens e resolução de detecção na faixa de 10 a 100 nanômetros.

Mas os qubits incorporados em materiais de camada única ou 2D podem se aproximar de uma amostra alvo, oferecendo resolução ainda mais alta e sinal mais forte. Abrindo o caminho para esse objetivo, o primeiro qubit de spin de elétron em nitreto de boro hexagonal, que pode existir em uma única camada, foi construído em 2019 removendo um átomo de boro da rede de átomos e prendendo um elétron em seu lugar. Os chamados qubits de spin de elétrons de vacância de boro também ofereceram um caminho tentador para controlar o spin nuclear dos átomos de nitrogênio que cercam cada qubit de spin de elétron na rede.

Neste trabalho, Li e sua equipe estabeleceram uma interface entre fótons e spins nucleares em nitretos de boro hexagonais ultrafinos.

Os spins nucleares podem ser inicializados opticamente - definidos para um spin conhecido - através dos qubits de spin do elétron circundantes. Uma vez inicializada, uma frequência de rádio pode ser usada para alterar o qubit de spin nuclear, essencialmente "escrevendo" informações, ou para medir mudanças nos qubits de spin nuclear, ou "ler" informações. Seu método aproveita três núcleos de nitrogênio por vez, com tempos de coerência mais de 30 vezes maiores do que os qubits de elétrons à temperatura ambiente. E o material 2D pode ser colocado em camadas diretamente em outro material, criando um sensor embutido.

"Uma rede de spin nuclear 2D será adequada para simulação quântica em larga escala", disse Li. "Ele pode funcionar em temperaturas mais altas do que os qubits supercondutores."

Para controlar um qubit de spin nuclear, os pesquisadores começaram removendo um átomo de boro da rede e substituindo-o por um elétron. O elétron agora fica no centro de três átomos de nitrogênio. Neste ponto, cada núcleo de nitrogênio está em um estado de spin aleatório, que pode ser -1, 0 ou +1.

Em seguida, o elétron é bombeado para um estado de spin 0 com luz laser, que tem um efeito insignificante no spin do núcleo de nitrogênio.

Finalmente, uma interação hiperfina entre o elétron excitado e os três núcleos de nitrogênio circundantes força uma mudança no spin do núcleo. Quando o ciclo é repetido várias vezes, o spin do núcleo atinge o estado +1, onde permanece independentemente de interações repetidas. Com todos os três núcleos definidos para o estado +1, eles podem ser usados ​​como um trio de qubits.

Em Purdue, Li foi acompanhado por Xingyu Gao, Sumukh Vaidya, Peng Ju, Boyang Jiang, Zhujing Xu, Andres E. Llacsahuanga Allcca, Kunhong Shen, Sunil A. Bhave e Yong P. Chen, bem como colaboradores Kejun Li e Yuan Ping na Universidade da Califórnia, Santa Cruz, e Takashi Taniguchi e Kenji Watanabe no Instituto Nacional de Ciência dos Materiais no Japão.

"Polarização e controle de spin nuclear em nitreto de boro hexagonal" é publicado em Nature Materials . + Explorar mais

Novo método de controle de qubits pode avançar computadores quânticos