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工程师为室温量子技术开发二维平台时间:2019-02-23  作者:admin

量子计算机有望成为一项革命性的技术,因为它们的基本构件量子比特可以容纳比经典计算机的二进制0或1比特更多的信息。。 然而,为了利用这种能力,必须开发能够访问、测量和操纵各种量子状态的硬件。。

宾夕法尼亚大学工程和应用科学学院的研究人员现在展示了一个基于二维材料中孤立电子自旋的新硬件平台。。 电子被六方氮化硼片(一种原子厚度的半导体材料)中的缺陷俘获,研究人员可以光学检测系统的量子状态。。

这项研究由电气和系统工程系助理教授李·巴塞特和他实验室的博士后研究员安内玛丽·埃克罗斯领导。。

巴塞特实验室的大卫·霍珀和拉杰·帕特尔以及澳大利亚国立大学的马库斯·多赫蒂也参与了这项研究。。

它发表在《自然通讯》杂志上。。

构建量子技术有许多潜在的架构。 一个有希望的系统涉及钻石中的电子自旋:这些自旋也被困在钻石规则晶体图案的缺陷中,其中碳原子缺失或被其他元素取代。缺陷就像孤立的原子或分子,它们与光相互作用,可以测量它们的自旋并充当量子比特。

这些系统对量子技术非常有吸引力,因为它们可以在室温下工作,不同于其他基于超低温超导体或真空离子的原型,但是使用大块钻石会带来自身的挑战。

“在3D材料中使用旋转的一个缺点是我们不能精确控制它们相对于表面的位置,”巴塞特说。“拥有如此水平的原子尺度控制是2D工作的一个原因。也许你想在这里转一圈,然后在那里转一圈,让他们互相交谈。或者,如果你想旋转一层材料,并在上面有一个2D磁体层,让它们相互作用。当自旋被限制在原子平面上时,你可以启用一系列新功能。

随着纳米技术的发展,产生了可选的二维材料扩展库,巴塞特和他的同事们正在寻找一种最像平面钻石的平面模拟。

“你可能会认为这种类似物是石墨烯,它只是碳原子的蜂窝状晶格,但是在这里,我们更关心的是晶体的电子性质,而不是它所形成的原子类型,”Exarhos说,他现在是助理。拉斐特大学物理学教授。“石墨烯的行为类似于金属,而钻石是一种宽带隙半导体,因此它的行为类似于绝缘体。另一方面,六方氮化硼和石墨烯具有相同的蜂窝结构,但是和金刚石一样,它也是一种宽带隙半导体,被广泛用作2D电子器件中的介电层。“

对于六边形氮化硼或h-BN,这种材料广泛存在,并且具有良好的特性,巴塞特和他的同事们专注于一个他们不太了解的方面:蜂窝晶格中的发光缺陷。

众所周知,h-BN的平均碎片含有发光缺陷。巴塞特的团队首次证明,对于这些缺陷中的一些,发射光的强度会随着磁场的变化而变化。

“我们在材料上发射一种颜色的光,我们得到另一种颜色的光子,”巴塞特说。“磁铁控制旋转,旋转控制h-BN缺陷发射的光子数。这是一个可以用作量子比特的信号。”

除了计算之外,在二维表面上使用量子机器量子比特的构造块还可以实现依赖于邻近度的其他潜在应用。

“量子系统对环境非常敏感,这就是为什么它们很难被隔离和控制,”巴塞特说。“但是另一方面,你可以用这种灵敏度制造新的传感器。原则上,这些小的旋转可以是微型核磁共振探测器,就像核磁共振成像中使用的一样,但是能够对单个分子进行操作。

核磁共振目前被用来理解分子结构,但是它需要数百或数十亿个目标分子来组装成晶体。相比之下,2D量子传感器可以测量单个分子的结构和内部动力学,例如研究化学反应和蛋白质折叠。

尽管研究人员对h-BN缺陷进行了广泛的研究,以发现具有特殊自旋相关光学特性的缺陷,但是这些缺陷的确切性质仍然存在。该团队接下来的步骤包括了解是什么导致了一些(但不是所有)缺陷对磁场的反应,然后重新创造这些有用的缺陷。

一些工作将由宾夕法尼亚的辛格纳米技术中心及其新的JEOL NEOARM显微镜实施。NEOARM是美国唯一的这类透射电子显微镜,它可以分析单个原子,甚至可能产生研究者想要使用的各种缺陷。

“这项研究汇集了科学研究的两个主要领域,”巴塞特说。“一方面,已经做了大量工作来扩展2D素材库,了解它们展示的物理特性以及它们可以制造的设备。另一方面,这些不同的量子结构也在发展。这是第一批将他们聚集在一起的人之一,他们说,‘这是二维材料中潜在的室温量子结构'。"

这项工作由陆军研究办公室( W911NF-15-1-0589 )、澳大利亚研究委员会( DE170100169 )和国家科学基金会通过材料研究科学和工程中心项目( DMR-1720530 )和国家纳米技术协调基础设施提供支持。计划( NNCI - 1542153 )

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