Un réseau 2D de qubits d’électrons et de spin nucléaire ouvre une nouvelle frontière dans la science quantique

Tel que publié lundi (15 août) dans Matériaux naturelsl’équipe de recherche a utilisé des qubits de spin électronique comme capteurs à l’échelle atomique, et également pour effectuer le premier contrôle expérimental de qubits de spin nucléaire dans du nitrure de bore hexagonal ultrafin.

“Il s’agit du premier travail montrant l’initialisation optique et le contrôle cohérent des spins nucléaires dans les matériaux 2D”, a déclaré l’auteur correspondant Tongcang Li, professeur agrégé de Purdue en physique et astronomie et en génie électrique et informatique, et membre du Purdue Quantum Science and Engineering Institute. .

“Maintenant, nous pouvons utiliser la lumière pour initialiser les spins nucléaires et avec ce contrôle, nous pouvons écrire et lire des informations quantiques avec des spins nucléaires dans des matériaux 2D. Cette méthode peut avoir de nombreuses applications différentes dans la mémoire quantique, la détection quantique et la simulation quantique.”

La technologie quantique dépend du qubit, qui est la version quantique d’un bit informatique classique. Il est souvent construit avec un atome, une particule subatomique ou un photon au lieu d’un transistor au silicium. Dans un qubit d’électron ou de spin nucléaire, l’état binaire “0” ou “1” familier d’un bit d’ordinateur classique est représenté par le spin, une propriété qui est vaguement analogue à la polarité magnétique – ce qui signifie que le spin est sensible à un champ électromagnétique. Pour effectuer n’importe quelle tâche, la rotation doit d’abord être contrôlée et cohérente, ou durable.

Le spin qubit peut alors être utilisé comme capteur, sondant par exemple la structure d’une protéine, ou la température d’une cible avec une résolution à l’échelle nanométrique. Les électrons piégés dans les défauts des cristaux de diamant 3D ont produit une résolution d’imagerie et de détection de l’ordre de 10 à 100 nanomètres.

Mais les qubits intégrés dans des matériaux monocouches ou 2D peuvent se rapprocher d’un échantillon cible, offrant une résolution encore plus élevée et un signal plus fort. ouvrant la voie à cet objectif, le premier qubit de spin électronique dans le nitrure de bore hexagonal, qui peut exister en une seule couche, a été construit en 2019 en retirant un atome de bore du réseau d’atomes et en piégeant un électron à sa place. Les qubits de spin d’électrons dits à vide de bore offraient également une voie alléchante pour contrôler le spin nucléaire des atomes d’azote entourant chaque qubit de spin d’électrons dans le réseau.

Dans ce travail, Li et son équipe ont établi une interface entre les photons et les spins nucléaires dans des nitrures de bore hexagonaux ultrafins.

Les spins nucléaires peuvent être initialisés optiquement – réglés sur un spin connu – via les qubits de spin électronique environnants. Une fois initialisée, une radiofréquence peut être utilisée pour modifier le qubit de spin nucléaire, essentiellement “écrire” des informations, ou pour mesurer les changements dans les qubits de spin nucléaire, ou “lire” des informations. Leur méthode exploite trois noyaux d’azote à la fois, avec des temps de cohérence plus de 30 fois plus longs que ceux des qubits d’électrons à température ambiante. Et le matériau 2D peut être superposé directement sur un autre matériau, créant ainsi un capteur intégré.

“Un réseau de spin nucléaire 2D conviendra à la simulation quantique à grande échelle”, a déclaré Li. “Il peut fonctionner à des températures plus élevées que les qubits supraconducteurs.”

Pour contrôler un qubit de spin nucléaire, les chercheurs ont commencé par retirer un atome de bore du réseau et à le remplacer par un électron. L’électron se trouve maintenant au centre de trois atomes d’azote. À ce stade, chaque noyau d’azote est dans un état de spin aléatoire, qui peut être -1, 0 ou +1.

Ensuite, l’électron est pompé à un état de spin de 0 avec une lumière laser, ce qui a un effet négligeable sur le spin du noyau d’azote.

Enfin, une interaction hyperfine entre l’électron excité et les trois noyaux d’azote environnants force une modification du spin du noyau. Lorsque le cycle est répété plusieurs fois, le spin du noyau atteint l’état +1, où il reste indépendamment des interactions répétées. Avec les trois noyaux réglés sur l’état +1, ils peuvent être utilisés comme un trio de qubits.

Chez Purdue, Li a été rejoint par Xingyu Gao, Sumukh Vaidya, Peng Ju, Boyang Jiang, Zhujing Xu, Andres E. Llacsahuanga Allcca, Kunhong Shen, Sunil A. Bhave et Yong P. Chen, ainsi que les collaborateurs Kejun Li et Yuan. Ping à l’Université de Californie à Santa Cruz, et Takashi Taniguchi et Kenji Watanabe à l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.