Carbon nanorør gør det ideelle hjem til at spinde kvantebits

06. marts 2023 (Nanowerk nyheder) Forskere konkurrerer kraftigt om at transformere de kontraintuitive opdagelser om kvanteriget fra et tidligere århundrede til fremtidens teknologier. Byggestenen i disse teknologier er kvantebit eller qubit. Flere forskellige slags er under udvikling, herunder dem, der bruger defekter i de symmetriske strukturer af diamant og silicium. De kan en dag transformere databehandling, fremskynde opdagelse af lægemidler, generere uhackbare netværk og mere. I samarbejde med forskere fra flere universiteter har forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory opdaget en metode til at introducere spindende elektroner som qubits i et værtsnanomateriale (Nature Communications, "Langlivede elektroniske spin-qubits i enkeltvæggede kulstofnanorør"). Deres testresultater afslørede rekordlange kohærenstider - nøgleegenskaben for enhver praktisk qubit, fordi den definerer antallet af kvanteoperationer, der kan udføres i qubittens levetid. Kunstnerisk gengivelse af kemisk modificeret kulstof-nanorør, der er vært for en roterende elektron som qubit. (Billede: Argonne National Laboratory) Elektroner har en egenskab, der er analog med spindet af en top, med en væsentlig forskel. Når toppe drejer på plads, kan de rotere til højre eller venstre. Elektroner kan opføre sig, som om de roterede i begge retninger på samme tid. Dette er et kvantetræk kaldet superposition. At være i to tilstande på samme tid gør elektroner til gode kandidater til spin-qubits. Spin qubits har brug for et passende materiale til at huse, kontrollere og detektere dem, samt udlæse information i dem. Med det i tankerne valgte holdet at undersøge et nanomateriale, der udelukkende er lavet af kulstofatomer, har en hul rørformet form og kun har en tykkelse på omkring en nanometer eller en milliardtedel af en meter, cirka 100,000 gange tyndere end bredden af ​​en menneskehår. "Disse kulstof nanorør er typisk et par mikrometer lange," sagde Xuedan Ma. "De er for det meste fri for fluktuerende nukleare spins, der ville forstyrre elektronens spin og reducere dens kohærenstid." Ma er videnskabsmand i Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science brugerfacilitet. Hun har også ansættelser ved Pritzker School of Molecular Engineering ved University of Chicago og Northwestern-Argonne Institute of Science and Engineering ved Northwestern University. Problemet holdet stod over for er det nanorør af kulstof i sig selv ikke kan opretholde en roterende elektron på ét sted. Den bevæger sig rundt i nanorøret. Tidligere forskere har indsat elektroder nanometer fra hinanden for at begrænse en roterende elektron mellem dem. Men dette arrangement er omfangsrigt, dyrt og udfordrende at skalere op. Det nuværende hold udtænkte en måde at eliminere behovet for elektroder eller andre nanoskalaenheder til at begrænse elektronen. I stedet ændrer de kemisk atomstrukturen i et kulstofnanorør på en måde, der fanger en roterende elektron til ét sted. "Til vores glæde skaber vores kemiske modifikationsmetode en utrolig stabil spin-qubit i et kulstofnanorør," sagde kemiker Jia-Shiang Chen. Chen er medlem af både CNM og en postdoktor i Center for Molecular Quantum Transduction ved Northwestern University. Holdets testresultater afslørede rekordlange kohærenstider sammenlignet med systemer lavet på andre måder - 10 mikrosekunder. I betragtning af deres lille størrelse kan holdets spin qubit-platform lettere integreres i kvanteenheder og tillader mange mulige måder at udlæse kvanteinformationen på. Kulstofrørene er også meget fleksible, og deres vibrationer kan bruges til at gemme information fra qubit. "Der er langt fra vores spin-qubit i et kulstof-nanorør til praktiske teknologier, men dette er et stort tidligt skridt i den retning," sagde Ma.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62511.php