I computer quantistici promettono di essere una tecnologia rivoluzionaria perché i loro elementi costitutivi elementari, qubit, può contenere più informazioni rispetto al binario, 0 o 1 bit dei computer classici. Ma per sfruttare questa capacità, deve essere sviluppato hardware in grado di accedere, misurare e manipolare i singoli stati quantistici.

I ricercatori della School of Engineering and Applied Science dell'Università della Pennsylvania hanno ora dimostrato una nuova piattaforma hardware basata su spin di elettroni isolati in un materiale bidimensionale. Gli elettroni sono intrappolati da difetti in fogli di nitruro di boro esagonale, un materiale semiconduttore dello spessore di un atomo, ei ricercatori sono stati in grado di rilevare otticamente gli stati quantistici del sistema.

Lo studio è stato condotto da Lee Bassett, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi, e Annemarie Exarhos, poi un ricercatore post-dottorato nel suo laboratorio.

David Hopper e Raj Patel, membri del Bassett Lab, insieme a Marcus Doherty dell'Australian National University, anche contribuito allo studio.

È stato pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , dove è stato selezionato come Evidenziazione dell'editor.

Esistono numerose architetture potenziali per la costruzione di tecnologia quantistica. Un sistema promettente coinvolge gli spin degli elettroni nei diamanti:questi spin sono anche intrappolati nei difetti del modello cristallino regolare del diamante in cui gli atomi di carbonio sono mancanti o sostituiti da altri elementi. I difetti agiscono come atomi o molecole isolati, e interagiscono con la luce in un modo che consente di misurare e utilizzare il loro spin come qubit.

Questi sistemi sono interessanti per la tecnologia quantistica perché possono funzionare a temperatura ambiente, a differenza di altri prototipi basati su superconduttori ultrafreddi o ioni intrappolati nel vuoto, ma lavorare con il diamante sfuso presenta le sue sfide.

"Uno svantaggio dell'utilizzo degli spin nei materiali 3D è che non possiamo controllare esattamente dove si trovano rispetto alla superficie", afferma Bassett. "Avere quel livello di controllo su scala atomica è una ragione per lavorare in 2-D. Forse vuoi mettere una rotazione qui e una rotazione là e farli parlare tra loro. O se vuoi avere una rotazione in uno strato di un materiale e sovrapporre uno strato di magnete 2-D sopra e farli interagire.Quando gli spin sono confinati su un singolo piano atomico, abiliti una serie di nuove funzionalità."

Con i progressi nanotecnologici che producono una libreria in espansione di materiali 2-D tra cui scegliere, Bassett e i suoi colleghi hanno cercato quello che sarebbe stato più simile a un analogo piatto del diamante sfuso.

"Si potrebbe pensare che l'analogo sia il grafene, che è solo un reticolo a nido d'ape di atomi di carbonio, ma qui ci preoccupiamo più delle proprietà elettroniche del cristallo che del tipo di atomi di cui è fatto, "dice Exarhos, che ora è assistente professore di fisica alla Lafayette University. "Il grafene si comporta come un metallo, mentre il diamante è un semiconduttore a banda larga e quindi agisce come un isolante. Nitruro di boro esagonale, d'altra parte, ha la stessa struttura a nido d'ape del grafene, ma, come diamante, è anche un semiconduttore a banda larga ed è già ampiamente utilizzato come strato dielettrico nell'elettronica 2-D."

Con nitruro di boro esagonale, o h-BN, ampiamente disponibile e ben caratterizzato, Bassett e i suoi colleghi si sono concentrati su uno dei suoi aspetti meno compresi:i difetti nel suo reticolo a nido d'ape che può emettere luce.

Che il pezzo medio di h-BN contenga difetti che emettono luce era noto in precedenza. Il gruppo di Bassett è il primo a dimostrare che, per alcuni di questi difetti, l'intensità della luce emessa cambia in risposta a un campo magnetico.

"Facciamo luce di un colore sul materiale e otteniamo fotoni di un altro colore indietro, " dice Bassett. "Il magnete controlla lo spin e lo spin controlla il numero di fotoni che i difetti nell'h-BN emettono. Questo è un segnale che puoi potenzialmente utilizzare come qubit."

Al di là del calcolo, avere l'elemento costitutivo dei qubit di una macchina quantistica su una superficie 2D consente altre potenziali applicazioni che dipendono dalla vicinanza.

"I sistemi quantistici sono super sensibili ai loro ambienti, ecco perché sono così difficili da isolare e controllare, "Dice Bassett. "Ma il rovescio della medaglia è che puoi usare quella sensibilità per creare nuovi tipi di sensori. In linea di principio, questi piccoli spin possono essere rilevatori di risonanza magnetica nucleare in miniatura, come il tipo utilizzato nella risonanza magnetica, ma con la capacità di operare su una singola molecola.

La risonanza magnetica nucleare è attualmente utilizzata per conoscere la struttura molecolare, ma richiede milioni o miliardi di molecole bersaglio per essere assemblate in un cristallo. In contrasto, I sensori quantistici 2-D potrebbero misurare la struttura e la dinamica interna delle singole molecole, ad esempio per studiare le reazioni chimiche e il ripiegamento delle proteine.

Mentre i ricercatori hanno condotto un'ampia indagine sui difetti di h-BN per scoprire quelli che hanno proprietà ottiche speciali dipendenti dallo spin, l'esatta natura di tali difetti è ancora sconosciuta. I passaggi successivi per il team includono la comprensione di ciò che rende alcuni, ma non tutto, difetti sensibili ai campi magnetici, e poi ricreando quegli utili difetti.

Parte di questo lavoro sarà reso possibile dal Singh Center for Nanotechnology di Penn e dal suo nuovo microscopio JEOL NEOARM. L'unico microscopio elettronico a trasmissione del suo genere negli Stati Uniti, il NEOARM è in grado di risolvere singoli atomi e potenzialmente anche di creare i tipi di difetti con cui i ricercatori vogliono lavorare.

"Questo studio riunisce due grandi aree di ricerca scientifica, " dice Bassett. "Da una parte, c'è stata un'enorme quantità di lavoro nell'espansione della libreria di materiali 2-D e nella comprensione della fisica che esibiscono e dei dispositivi che possono realizzare. D'altra parte, c'è lo sviluppo di queste diverse architetture quantistiche. E questo è uno dei primi a metterli insieme per dire 'ecco un'architettura quantistica potenzialmente a temperatura ambiente in un materiale 2-D.'"