Kohlenstoffnanoröhren sind ein ideales Zuhause für das Spinnen von Quantenbits

06 (Nanowerk-Neuigkeiten) Wissenschaftler konkurrieren energisch darum, die kontraintuitiven Entdeckungen über das Quantenreich aus einem vergangenen Jahrhundert in Technologien der Zukunft umzuwandeln. Der Baustein dieser Technologien ist das Quantenbit oder Qubit. Mehrere verschiedene Arten sind in der Entwicklung, einschließlich solcher, die Defekte innerhalb der symmetrischen Strukturen von Diamant und Silizium verwenden. Sie könnten eines Tages die Datenverarbeitung verändern, die Arzneimittelforschung beschleunigen, unhackbare Netzwerke erzeugen und vieles mehr. In Zusammenarbeit mit Forschern mehrerer Universitäten haben Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) eine Methode entdeckt, um rotierende Elektronen als Qubits in ein Wirts-Nanomaterial einzuführen (Nature Communications veröffentlicht , „Langlebige elektronische Spin-Qubits in einwandigen Kohlenstoffnanoröhren“). Ihre Testergebnisse zeigten rekordverdächtig lange Kohärenzzeiten – die Schlüsseleigenschaft für jedes praktische Qubit, da sie die Anzahl der Quantenoperationen definiert, die während der Lebensdauer des Qubits durchgeführt werden können. Künstlerische Darstellung einer chemisch modifizierten Kohlenstoffnanoröhre, die ein sich drehendes Elektron als Qubit beherbergt. (Bild: Argonne National Laboratory) Elektronen haben eine ähnliche Eigenschaft wie der Spin eines Kreisels, mit einem entscheidenden Unterschied. Wenn sich die Kreisel auf der Stelle drehen, können sie sich nach rechts oder links drehen. Elektronen können sich so verhalten, als würden sie gleichzeitig in beide Richtungen rotieren. Dies ist ein Quantenmerkmal, das Überlagerung genannt wird. Der gleichzeitige Zustand in zwei Zuständen macht Elektronen zu guten Kandidaten für Spin-Qubits. Spin-Qubits benötigen ein geeignetes Material, um sie zu beherbergen, zu steuern und zu erkennen sowie Informationen in ihnen auszulesen. Vor diesem Hintergrund entschied sich das Team, ein Nanomaterial zu untersuchen, das nur aus Kohlenstoffatomen besteht, eine hohle röhrenförmige Form hat und eine Dicke von nur etwa einem Nanometer oder einem Milliardstel Meter hat, etwa 100,000 Mal dünner als die Breite eines a menschliches Haar. „Diese Kohlenstoffnanoröhren sind typischerweise einige Mikrometer lang“, sagte Xuedan Ma. ​"Sie sind größtenteils frei von schwankenden Kernspins, die den Spin des Elektrons stören und seine Kohärenzzeit verkürzen würden.” Ma ist Wissenschaftlerin im Argonne Center for Nanoscale Materials (CNM), einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science. Sie ist außerdem an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago und am Northwestern-Argonne Institute of Science and Engineering der Northwestern University tätig. Das Problem, mit dem das Team konfrontiert war, ist das Kohlenstoff-Nanoröhren allein können ein sich drehendes Elektron nicht an einem Ort halten. Es bewegt sich um die Nanoröhre herum. Frühere Forscher haben Elektroden im Abstand von Nanometern eingefügt, um ein sich drehendes Elektron zwischen ihnen einzuschließen. Aber diese Anordnung ist sperrig, teuer und schwer zu vergrößern. Das aktuelle Team entwickelte einen Weg, um die Notwendigkeit von Elektroden oder anderen Geräten im Nanomaßstab zum Einschließen des Elektrons zu beseitigen. Stattdessen verändern sie die atomare Struktur in einer Kohlenstoffnanoröhre chemisch so, dass ein sich drehendes Elektron an einer Stelle eingefangen wird. „Zu unserer großen Freude erzeugt unsere chemische Modifikationsmethode ein unglaublich stabiles Spin-Qubit in einer Kohlenstoffnanoröhre“, sagte der Chemiker Jia-Shiang Chen. Chen ist Mitglied des CNM und Postdoktorand am Center for Molecular Quantum Transduction der Northwestern University. Die Testergebnisse des Teams zeigten rekordverdächtig lange Kohärenzzeiten im Vergleich zu Systemen, die mit anderen Mitteln hergestellt wurden – 10 Mikrosekunden. Aufgrund ihrer geringen Größe lässt sich die Spin-Qubit-Plattform des Teams leichter in Quantengeräte integrieren und ermöglicht viele Möglichkeiten, die Quanteninformationen auszulesen. Außerdem sind die Kohlenstoffröhren sehr flexibel und ihre Vibrationen können verwendet werden, um Informationen aus dem Qubit zu speichern. „Es ist ein langer Weg von unserem Spin-Qubit in einer Kohlenstoffnanoröhre zu praktischen Technologien, aber dies ist ein großer früher Schritt in diese Richtung“, sagte Ma.

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62511.php