Las computadoras cuánticas prometen ser una tecnología revolucionaria porque sus bloques de construcción elementales, qubits, pueden contener más información que los bits binarios, 0 o 1 de las computadoras clásicas. Pero para aprovechar esta capacidad, se debe desarrollar hardware que pueda acceder,medir y manipular estados cuánticos individuales.
Los investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania ahora han demostrado una nueva plataforma de hardware basada en espines de electrones aislados en un material bidimensional. Los electrones están atrapados por defectos en láminas de nitruro de boro hexagonal, un átomomaterial semiconductor grueso, y los investigadores pudieron detectar ópticamente los estados cuánticos del sistema.
El estudio fue dirigido por Lee Bassett, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas, y Annemarie Exarhos, entonces investigadora postdoctoral en su laboratorio.
Los miembros de Bassett Lab, David Hopper y Raj Patel, junto con Marcus Doherty de la Universidad Nacional de Australia, también contribuyeron al estudio.
Fue publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
Existen varias arquitecturas potenciales para construir tecnología cuántica. Un sistema prometedor involucra espines electrónicos en diamantes: estos espines también están atrapados en defectos en el patrón cristalino regular del diamante donde faltan átomos de carbono o son reemplazados por otros elementos. Los defectos actúan como aisladosátomos o moléculas, e interactúan con la luz de una manera que permite medir su giro y utilizarlo como un qubit.
Estos sistemas son atractivos para la tecnología cuántica porque pueden funcionar a temperatura ambiente, a diferencia de otros prototipos basados en superconductores ultra-fríos o iones atrapados en el vacío, pero trabajar con diamantes a granel presenta sus propios desafíos.
"Una desventaja de usar giros en materiales 3D es que no podemos controlar exactamente dónde están en relación con la superficie", dice Bassett. "Tener ese nivel de control de escala atómica es una razón para trabajar en 2D. Tal vez quierascoloque una vuelta aquí y una vuelta allí y pídales que se hablen entre sí, o si desea tener una vuelta en una capa de un material y colocar una capa de imán 2D en la parte superior y hacer que interactúen. Cuando las vueltas se limitan aun solo plano atómico, habilita una serie de nuevas funcionalidades "
Con los avances nanotecnológicos que producen una biblioteca en expansión de materiales 2D para elegir, Bassett y sus colegas buscaron el que sería más parecido a un análogo plano de diamante a granel.
"Se podría pensar que el análogo sería grafeno, que es solo una red de panal de átomos de carbono, pero aquí nos preocupamos más por las propiedades electrónicas del cristal que por el tipo de átomos de los que está hecho", dice Exarhos, quien ahora esprofesor asistente de física en la Universidad de Lafayette. "El grafeno se comporta como un metal, mientras que el diamante es un semiconductor de banda ancha y, por lo tanto, actúa como un aislante. El nitruro de boro hexagonal, por otro lado, tiene la misma estructura de panal que el grafeno, pero,como el diamante, también es un semiconductor de banda ancha y ya se usa ampliamente como una capa dieléctrica en electrónica 2D ".
Con nitruro de boro hexagonal, o h-BN, ampliamente disponible y bien caracterizado, Bassett y sus colegas se centraron en uno de sus aspectos menos conocidos: defectos en su red de panal que pueden emitir luz.
Que la pieza promedio de h-BN contiene defectos que emiten luz previamente conocida. El grupo de Bassett es el primero en mostrar que, para algunos de esos defectos, la intensidad de la luz emitida cambia en respuesta a un campo magnético.
"Brillamos luz de un color sobre el material y recuperamos fotones de otro color", dice Bassett. "El imán controla el giro y el giro controla la cantidad de fotones que emiten los defectos en el h-BN. Eso esuna señal que potencialmente puedes usar como qubit "
Más allá del cálculo, tener el bloque de construcción de los qubits de una máquina cuántica en una superficie 2D permite otras aplicaciones potenciales que dependen de la proximidad.
"Los sistemas cuánticos son muy sensibles a sus entornos, por eso son tan difíciles de aislar y controlar", dice Bassett. "Pero la otra cara es que puedes usar esa sensibilidad para hacer nuevos tipos de sensores. En principio, estos pequeños giros pueden ser detectores de resonancia magnética nuclear en miniatura, como los que se usan en las IRM, pero con la capacidad de operar en una sola molécula.
La resonancia magnética nuclear se usa actualmente para aprender sobre la estructura molecular, pero requiere que millones o miles de millones de la molécula objetivo se ensamblen en un cristal. Por el contrario, los sensores cuánticos 2D podrían medir la estructura y la dinámica interna de moléculas individuales, por ejemplopara estudiar reacciones químicas y plegamiento de proteínas.
Si bien los investigadores realizaron una encuesta exhaustiva de los defectos de h-BN para descubrir los que tienen propiedades ópticas especiales dependientes del espín, la naturaleza exacta de esos defectos aún se desconoce. Los siguientes pasos para el equipo incluyen comprender qué hace que algunos, pero no todos, defectos que responden a campos magnéticos y luego recrean esos defectos útiles.
Parte de ese trabajo será habilitado por el Centro Penn's Singh para Nanotecnología y su nuevo microscopio JEOL NEOARM. El único microscopio electrónico de transmisión de este tipo en los Estados Unidos, el NEOARM es capaz de resolver átomos individuales y potencialmente incluso crear los tipos dedefectos con los que los investigadores quieren trabajar
"Este estudio está reuniendo dos áreas principales de investigación científica", dice Bassett. "Por un lado, ha habido una gran cantidad de trabajo para expandir la biblioteca de materiales 2D y comprender la física que exhiben y los dispositivos que puedenPor otro lado, está el desarrollo de estas diferentes arquitecturas cuánticas. Y este es uno de los primeros en reunirlas para decir 'aquí hay una arquitectura cuántica potencialmente a temperatura ambiente en un material 2D' ".
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército W911NF-15-1-0589, el Consejo de Investigación Australiano DE170100169 y la Fundación Nacional de Ciencia a través del Programa del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales DMR-1720530 y la Nanotecnología NacionalPrograma de Infraestructura Coordinada NNCI-1542153
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :