工程師開(kāi)發(fā)室溫 量子技術(shù)的二維平臺(tái)

研究人員現(xiàn)已展示了一種基于二維材料中孤立電子自旋的新硬件平臺(tái)。電子被六角形氮化硼片(一種原子厚度的半導(dǎo)體材料)中的缺陷捕獲，研究人員能夠光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的量子態(tài)。量子計(jì)算機(jī)有望成為一項(xiàng)革命性的技術(shù)，因?yàn)樗鼈兊幕緲?gòu)建模塊，量子比特，可以保存比經(jīng)典計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制0或1位更多的信息。但是為了利用這種能力，必須開(kāi)發(fā)能夠訪問(wèn)，測(cè)量和操縱各個(gè)量子態(tài)的硬件。

賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員現(xiàn)已展示了一種基于二維材料中孤立電子自旋的新硬件平臺(tái)。電子被六角形氮化硼片(一種原子厚度的半導(dǎo)體材料)中的缺陷捕獲，研究人員能夠光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的量子態(tài)。

該研究由電氣和系統(tǒng)工程系助理教授Lee Bassett和他實(shí)驗(yàn)室博士后研究員Annemarie Exarhos領(lǐng)導(dǎo)。塞特實(shí)驗(yàn)室成員David Hopper和Raj Patel以及澳大利亞國(guó)立大學(xué)的Marcus Doherty也參與了這項(xiàng)研究。它發(fā)表在Nature Communications雜志上。

有許多用于構(gòu)建量子技術(shù)的潛在架構(gòu)。一個(gè)有希望的系統(tǒng)涉及鉆石中的電子自旋：這些自旋也被困在鉆石的規(guī)則晶體圖案中的缺陷處，其中碳原子缺失或被其他元素取代。缺陷的作用類似于孤立的原子或分子，它們以一種能夠測(cè)量其自旋并用作量子位的方式與光相互作用。

這些系統(tǒng)對(duì)于量子技術(shù)很有吸引力，因?yàn)樗鼈兛梢栽谑覝叵鹿ぷ?，不像其他基于超冷超?dǎo)體或真空中離子的原型，但與塊狀金剛石一起工作會(huì)帶來(lái)其自身的挑戰(zhàn)。

“在3D材料中使用旋轉(zhuǎn)的一個(gè)缺點(diǎn)是我們無(wú)法精確控制它們相對(duì)于表面的位置”Bassett說(shuō)。“具有這種級(jí)別的原子尺度控制是在2D中工作的一個(gè)原因。也許你想在這里放一個(gè)旋轉(zhuǎn)并在那里旋轉(zhuǎn)一個(gè)讓它們互相說(shuō)話?；蛘呷绻阆朐谝粋€(gè)層中旋轉(zhuǎn)材料和頂部有一個(gè)2D磁體層并使它們相互作用。當(dāng)自旋被限制在一個(gè)原子平面上時(shí)，你可以啟用一系列新的功能。

隨著納米技術(shù)的進(jìn)步產(chǎn)生了可供選擇的二維材料擴(kuò)展庫(kù)，巴塞特和他的同事們尋求最像平板鉆石的平面模擬。

“你可能會(huì)認(rèn)為模擬物是石墨烯，它只是碳原子的蜂窩晶格，但在這里我們更關(guān)心晶體的電子特性而不是它所構(gòu)成的原子類型，”Exarhos說(shuō)，他現(xiàn)在是一名助手。拉斐特大學(xué)物理學(xué)教授。“石墨烯的行為類似于金屬，而金剛石則是寬帶隙半導(dǎo)體，因此就像絕緣體一樣。另一方面，六方氮化硼與石墨烯具有相同的蜂窩結(jié)構(gòu)，但是，與金剛石一樣，它也是一種寬的 - 帶隙半導(dǎo)體已廣泛用作2D電子設(shè)備中的介電層。“

對(duì)于六角形氮化硼或h-BN，廣泛可用且具有良好特性，Bassett及其同事專注于其不太了解的一個(gè)方面：蜂窩晶格中可發(fā)光的缺陷。

先前已知的是h-BN的平均片段包含發(fā)光的缺陷。巴塞特的研究小組首次證明，對(duì)于其中一些缺陷，發(fā)射光的強(qiáng)度會(huì)隨著磁場(chǎng)的變化而變化。

“我們?cè)诓牧仙习l(fā)出一種顏色的光，我們得到另一種顏色的光子，”巴塞特說(shuō)。“磁鐵控制旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)控制h-BN中的缺陷發(fā)射的光子數(shù)。這是一個(gè)可以用作量子比特的信號(hào)。”

除了計(jì)算之外，在2D表面上使用量子機(jī)器的量子比特的構(gòu)建塊能夠?qū)崿F(xiàn)依賴于接近度的其他潛在應(yīng)用。

“量子系統(tǒng)對(duì)環(huán)境非常敏感，這就是為什么它們難以隔離和控制，”巴塞特說(shuō)。“但另一方面，你可以利用這種靈敏度來(lái)制造新型傳感器。原則上，這些小旋轉(zhuǎn)可以是微型核磁共振探測(cè)器，就像在核磁共振成像中使用的那種，但具有在單個(gè)分子上操作的能力。

核磁共振目前用于了解分子結(jié)構(gòu)，但它需要數(shù)百或數(shù)十億的目標(biāo)分子組裝成晶體。相比之下，2D量子傳感器可以測(cè)量單個(gè)分子的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部動(dòng)力學(xué)，例如研究化學(xué)反應(yīng)和蛋白質(zhì)折疊。

雖然研究人員對(duì)h-BN缺陷進(jìn)行了廣泛的調(diào)查，以發(fā)現(xiàn)具有特殊自旋相關(guān)光學(xué)特性的缺陷，但這些缺陷的確切性質(zhì)仍然未知。該團(tuán)隊(duì)的后續(xù)步驟包括了解是什么使得某些(但不是全部)缺陷響應(yīng)磁場(chǎng)，然后重新創(chuàng)建這些有用的缺陷。

其中一些工作將由Penn的Singh納米技術(shù)中心及其新的JEOL NEOARM顯微鏡實(shí)現(xiàn)。NEOARM是美國(guó)唯一的同類傳輸電子顯微鏡，能夠解析單個(gè)原子，甚至可能產(chǎn)生研究人員想要使用的各種缺陷。

“這項(xiàng)研究匯集了兩個(gè)主要的科學(xué)研究領(lǐng)域，”巴塞特說(shuō)。“一方面，在擴(kuò)展2D材料庫(kù)和理解它們展示的物理特性以及它們可以制造的器件方面已經(jīng)做了大量的工作。另一方面，這些不同的量子架構(gòu)也在發(fā)展。這就是第一個(gè)將他們聚集在一起說(shuō)'這是2D材料中潛在的室溫量子結(jié)構(gòu)'的人之一。'“

這項(xiàng)工作得到了陸軍研究辦公室(W911NF-15-1-0589)，澳大利亞研究理事會(huì)(DE170100169)和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)通過(guò)材料研究科學(xué)和工程中心計(jì)劃(DMR-1720530)和國(guó)家納米技術(shù)協(xié)調(diào)基礎(chǔ)設(shè)施的支持。計(jì)劃(NNCI-1542153)