科学家开启量子科学与技术新领域

电子和核自旋量子比特的2D阵列开辟了量子科学的新领域。

研究人员通过使用光子和电子自旋量子比特来控制二维材料中的核自旋，开辟了量子科学和技术的新领域。这将使原子尺度核磁共振波谱等应用成为可能，以及在2D材料中用核自旋读取和写入量子信息的能力。

正如今天(8月15日)发表在《自然材料》杂志上的那样，普渡大学的研究小组使用电子自旋量子比特作为原子尺度传感器，并实现了超薄六方氮化硼中核自旋量子比特的首次实验控制。

“这是第一部在2D材料中展示核自旋的光学初始化和相干控制的工作，”通讯作者Tongcang Li说，他是普渡大学物理学和天文学以及电气和计算机工程副教授，也是普渡大学量子科学与工程研究所的成员。

“现在我们可以使用光来初始化核自旋，通过这种控制，我们可以在2D材料中用核自旋写入和读取量子信息。这种方法在量子存储器、量子传感和量子模拟方面可以有许多不同的应用。

量子技术依赖于量子比特(量子比特)，这是经典计算机比特的量子版本。量子比特不是硅晶体管，而是用原子，亚原子粒子或光子构建的。在电子或核自旋量子比特中，经典计算机位的熟悉的二进制“0”或“1”状态由自旋表示，自旋的性质大致类似于磁极性 - 这意味着自旋对电磁场敏感。要执行任何任务，旋转必须首先受控且连贯或持久。

然后，自旋量子位可以用作传感器，例如，探测蛋白质的结构或具有纳米级分辨率的目标的温度。被困在3D金刚石晶体缺陷中的电子产生了10-100纳米范围内的成像和传感分辨率。

然而，嵌入单层或2D材料的量子位可以更接近目标样品，提供更高的分辨率和更强的信号。为实现这一目标铺平了道路，六方氮化硼中的第一个电子自旋量子位(可以存在于单层中)于2019年建成，方法是从原子晶格中去除硼原子并将其捕获在其位置上。所谓的硼空位电子自旋量子比特也为控制晶格中每个电子自旋量子比特周围的氮原子的核自旋提供了诱人的途径。

在这项工作中，Li和他的团队在超薄六方氮化硼中建立了光子和核自旋之间的界面。

核自旋可以通过周围的电子自旋量子位进行光学初始化 - 设置为已知的自旋。一旦初始化，射频可以用来改变核自旋量子比特，本质上是“写入”信息，或测量核自旋量子比特的变化，或“读取”信息。他们的方法一次利用三个氮原子核，在室温下比电子量子比特的相干时间长30倍以上。2D材料可以直接分层到另一种材料上，从而创建内置传感器。

“2D核自旋晶格将适用于大规模量子模拟，”李说。“它可以在比超导量子比特更高的温度下工作。

为了控制核自旋量子比特，科学家们首先从晶格中去除硼原子并用电子代替它。电子现在位于三个氮原子的中心。此时，每个氮核都处于随机自旋状态，可能是-1，0或+1。

接下来，用激光将电子泵送到0的自旋状态，这对氮原子核的自旋影响可以忽略不计。

最后，激发的电子和周围三个氮原子核之间的超精细相互作用迫使原子核的自旋发生变化。当循环重复多次时，细胞核的自旋达到+1状态，无论重复相互作用如何，它都保持在那里。将所有三个原子核设置为+1状态，它们可以用作三个量子位。

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