Kvantdatorer lovar att vara en revolutionerande teknik eftersom deras elementära byggstenar, qubits, kan innehålla mer information än binär, 0-eller-1 bitar av klassiska datorer. Men för att utnyttja denna förmåga, hårdvara måste utvecklas som kan komma åt, mäta och manipulera individuella kvanttillstånd.

Forskare vid University of Pennsylvanias School of Engineering and Applied Science har nu demonstrerat en ny hårdvaruplattform baserad på isolerade elektronsnurr i ett tvådimensionellt material. Elektronerna fångas av defekter i ark av hexagonal bornitrid, ett enatoms tjockt halvledarmaterial, och forskarna kunde optiskt detektera systemets kvanttillstånd.

Studien leddes av Lee Bassett, biträdande professor vid institutionen för el- och systemteknik, och Annemarie Exarhos, sedan en postdoktor i sitt labb.

Bassett Lab-medlemmarna David Hopper och Raj Patel, tillsammans med Marcus Doherty från Australian National University, bidrog också till studien.

Det publicerades i tidskriften Naturkommunikation , där det valdes som en redaktörs höjdpunkt.

Det finns ett antal potentiella arkitekturer för att bygga kvantteknik. Ett lovande system involverar elektronsnurr i diamanter:dessa spinn är också fångade vid defekter i diamantens vanliga kristallina mönster där kolatomer saknas eller ersätts av andra element. Defekterna fungerar som isolerade atomer eller molekyler, och de interagerar med ljus på ett sätt som gör att deras spinn kan mätas och användas som en qubit.

Dessa system är attraktiva för kvantteknik eftersom de kan arbeta vid rumstemperatur, till skillnad från andra prototyper baserade på ultrakalla supraledare eller joner fångade i vakuum, men att arbeta med bulkdiamanter innebär sina egna utmaningar.

"En nackdel med att använda spins i 3D-material är att vi inte kan kontrollera exakt var de är i förhållande till ytan", säger Bassett. "Att ha den nivån av kontroll på atomär skala är en anledning till att arbeta i 2D. Kanske vill du placera ett snurr här och ett snurr där och få dem att prata med varandra. Eller om du vill ha ett snurr i ett lager av ett material och ploppa ett 2D-magnetlager ovanpå och få dem att interagera. När spinnen är begränsade till ett enda atomplan, du aktiverar en mängd nya funktioner."

Med nanoteknologiska framsteg som producerar ett växande bibliotek med 2D-material att välja mellan, Bassett och hans kollegor sökte den som mest skulle likna en platt analog av bulkdiamanter.

"Du kanske tror att analogen skulle vara grafen, som bara är ett bikakenät av kolatomer, men här bryr vi oss mer om kristallens elektroniska egenskaper än vilken typ av atomer den är gjord av, säger Exarhos, som nu är biträdande professor i fysik vid Lafayette University. "Grafen beter sig som en metall, medan diamant är en halvledare med breda bandgap och fungerar därför som en isolator. Hexagonal bornitrid, å andra sidan, har samma bikakestruktur som grafen, men, som diamant, det är också en halvledare med breda bandgap och används redan i stor utsträckning som ett dielektriskt lager i 2D-elektronik."

Med hexagonal bornitrid, eller h-BN, allmänt tillgänglig och välkaraktär, Bassett och hans kollegor fokuserade på en av dess mindre välförstådda aspekter:defekter i dess bikakegaller som kan avge ljus.

Att den genomsnittliga biten av h-BN innehåller defekter som avger ljus hade tidigare varit känt. Bassetts grupp är den första att visa att, för några av dessa defekter, intensiteten hos det emitterade ljuset ändras som svar på ett magnetfält.

"Vi lyser ljus av en färg på materialet och vi får fotoner av en annan färg tillbaka, " säger Bassett. "Magneten styr spinn och spinn kontrollerar antalet fotoner som defekterna i h-BN avger. Det är en signal som du potentiellt kan använda som en qubit."

Utöver beräkning, att ha byggstenen för en kvantmaskins qubits på en 2D-yta möjliggör andra potentiella tillämpningar som är beroende av närhet.

"Kvantsystem är superkänsliga för sina miljöer, det är därför de är så svåra att isolera och kontrollera, " säger Bassett. "Men baksidan är att du kan använda den känsligheten för att göra nya typer av sensorer. I princip, dessa små snurr kan vara miniatyrkärnmagnetiska resonansdetektorer, som den typ som används i MRI, men med förmågan att operera på en enda molekyl.

Kärnmagnetisk resonans används för närvarande för att lära sig om molekylär struktur, men det kräver att miljoner eller miljarder av målmolekylen sätts ihop till en kristall. I kontrast, 2-D kvantsensorer kan mäta strukturen och inre dynamik hos enskilda molekyler, till exempel för att studera kemiska reaktioner och proteinveckning.

Medan forskarna genomförde en omfattande undersökning av h-BN-defekter för att upptäcka sådana som har speciella spinnberoende optiska egenskaper, den exakta karaktären av dessa defekter är fortfarande okänd. Nästa steg för teamet inkluderar att förstå vad som gör vissa, men inte allt, defekter som svarar på magnetfält, och sedan återskapa de användbara defekterna.

En del av det arbetet kommer att möjliggöras av Penns Singh Center for Nanotechnology och dess nya JEOL NEOARM-mikroskop. Det enda transmissionselektronmikroskopet i sitt slag i USA, NEOARM kan lösa enskilda atomer och potentiellt till och med skapa de typer av defekter som forskarna vill arbeta med.

"Denna studie sammanför två stora områden av vetenskaplig forskning, " säger Bassett. "Å ena sidan, det har lagts ner ett enormt arbete med att utöka biblioteket av 2D-material och förstå fysiken som de visar och enheterna de kan göra. Å andra sidan, det finns utvecklingen av dessa olika kvantarkitekturer. Och detta är en av de första som förde dem samman för att säga "här är en potentiell rumstemperatur kvantarkitektur i ett 2D-material."