Физики из Университета Пердью использовали фотоны и электронные спиновые кубиты для управления спинами атомных ядер в двумерном материале гексагонального нитрида бора. Технологию можно использовать для спектроскопии ядерного магнитного резонанса атомного масштаба и создания квантовых носителей информации на основе ядерных спинов.

В 2019 году был построен первый кубит с электронным спином в гексагональном нитриде бора. Благодаря удалению атома бора из кристаллической решетки и захвату электрону на его месте такой кубит может существовать как единый слой. В новой работе исследователи показали, что ядерные спины могут быть оптически инициированы в этом веществе через окружающие электронные спиновые кубиты.

После инициализации ядерным спином можно управлять с помощью воздействия на радиочастотах. В своем эксперименте ученые использовали три ядра атомов азота. При этом время когерентности (сохранения квантового состояния) у них в 30 раз больше, чем у электронов.

Чтобы управлять кубитом с ядерным спином, исследователи начали с удаления атома бора из решетки и замены его электроном, который помещали в центре структуры из трех атомов азота. В этот момент каждое ядро азота находится в случайном спиновом состоянии, которое может быть –1, 0 или +1, объясняют авторы.

Затем ученые воздействовали на электрон с помощью лазерного излучения, чтобы задать ему нулевое состояние спина. Это воздействие частично передавалось атомам азота. Когда этот цикл повторяется несколько раз, спин ядра достигает состояния +1, в котором он остается независимо от повторяющихся воздействий. Когда все три ядра находятся в состоянии +1, их можно использовать как тройку кубитов.

Художественная иллюстрация управления спином атомных ядер в гексагональном нитриде бора. Изображение: Perdue University

Квантовая технология зависит от кубита, который является квантовой версией классического компьютерного бита. Он часто строится с использованием атома, субатомной частицы или фотона вместо кремниевого транзистора, объясняют авторы работы. При этом двоичные состояния кодируются при помощи спинов электронов или атомных ядер.

Электроны, захваченные дефектами трехмерных кристаллов алмаза, обеспечивают разрешение изображений и датчиков в диапазоне от 10 до 100 нм. Но кубиты, встроенные в однослойные или двумерные материалы, могут выдавать еще более высокое разрешение и более сильный сигнал, говорят физики. Кроме того, двумерный материал можно наносить непосредственно на другой материал, создавая встроенный датчик.