Kubity spinowe nową nadzieją dla fizyki kwantowej

Kubity spinowe wykorzystane do kontroli spinów jądrowych w materiale dwuwymiarowym, pozwoliły na przekroczenie kolejnej granicy w nauce i technologiach kwantowych. To pozwoli na takie zastosowania jak spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego w skali atomowej oraz lepsze odczytywanie i zapisywanie informacji kwantowych.
Kubity spinowe
Kubity spinowe

Zespół fizyków z Purdue University dokonał kolejnego przełomu. Wykorzystał kubity spinowe jako czujniki w skali atomowej, a także do uzyskania pierwszej eksperymentalnej kontroli kubitów spinu jądrowego w heksagonalnym azotku boru. Wyniki badań opisano w Nature Materials.

Jest to pierwsza praca pokazująca optyczną inicjalizację i koherentną kontrolę spinów jądrowych w materiałach 2D. Teraz możemy użyć światła do inicjalizacji spinów jądrowych i dzięki tej kontroli możemy zapisywać i odczytywać informacje kwantowe za pomocą spinów jądrowych w materiałach 2D. Ta metoda może mieć wiele różnych zastosowań w pamięci kwantowej, detekcji kwantowej i symulacji kwantowej.Prof. Tongcang Li z Purdue Quantum Science and Engineering Institute

Kubity spinowe – co to takiego?

Wydajność technologii kwantowej jest powiązana z kubitami, które są kwantową wersją klasycznych bitów komputerowych. Często zamiast tranzystora krzemowego mają one atom, cząstkę subatomową lub foton. W elektronowym lub jądrowym kubicie spinowym znany binarny stan “0” lub “1” klasycznego bitu komputerowego jest reprezentowany przez spin – właściwość, która jest luźno analogiczna do polaryzacji magnetycznej – co oznacza, że spin jest wrażliwy na pole elektromagnetyczne. Aby wykonać jakiekolwiek zadanie, spin musi być najpierw kontrolowany i spójny, czyli trwały.

Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać

Kubit spinowy można użyć jako czujnik, badający na przykład strukturę białka lub temperaturę celu z nanoskalową rozdzielczością. Elektrony uwięzione w defektach kryształów diamentu 3D pozwoliły na uzyskanie rozdzielczości obrazowania i detekcji w zakresie 10-100 nm.

Jednak kubity osadzone w materiałach jednowarstwowych lub 2D mogą oferować jeszcze wyższą rozdzielczość pomiaru i silniejszy sygnał. Pierwszy elektronowy kubit spinowy w heksagonalnym azotku boru zbudowano w 2019 r. poprzez usunięcie boru z siatki atomów i uwięzienie elektronu w jego miejscu. Teraz prof. Li stworzył połączenie między fotonami i spinami jądrowymi w ultracienkich heksagonalnych azotkach boru.

Nuklearna siatka spinowa 2D będzie odpowiednia do symulacji kwantowych na dużą skalę. Może działać w wyższych temperaturach niż kubity nadprzewodzące.Prof. Tongcang Li

Jak tego dokonano? Fizycy najpier usunęli atom boru z sieci i zastąpili go elektronem, który był otoczony trzema atomami azotu. W tym momencie każde jądro azotu znajduje się w losowym stanie spinu, który może wynosić -1, 0 lub +1. Następnie elektron ustawiono do stanu spinowego 0 za pomocą światła laserowego, co ma znikomy wpływ na spin jądra azotu.

Czytaj też: Kubity to już przeszłość. Rewolucję mają przynieść cyfry kwantowe

Oddziaływanie pomiędzy wzbudzonym elektronem a trzema otaczającymi go jądrami azotu wymusza zmianę spinu jądra. Gdy cykl powtarza się wielokrotnie, spin jądra osiąga stan +1, w którym pozostaje niezależnie od powtarzających się oddziaływań. Gdy wszystkie trzy jądra są ustawione w stanie +1, można je wykorzystać jako trio kubitów.