Kolnanorör är ett idealiskt hem för att snurra kvantbitar

Kolnanorör är ett idealiskt hem för att snurra kvantbitar

Tidsstämpel: 6 mars 2023 1:30
Källnod: 1995633
06 mars 2023 (Nanowerk Nyheter) Forskare tävlar kraftigt om att omvandla de kontraintuitiva upptäckterna om kvantvärlden från ett tidigare sekel till framtidens teknologier. Byggstenen i dessa teknologier är kvantbiten, eller qubit. Flera olika typer är under utveckling, inklusive sådana som använder defekter inom de symmetriska strukturerna hos diamant och kisel. De kan en dag förvandla datoranvändning, påskynda läkemedelsupptäckten, skapa okackbara nätverk och mer. I samarbete med forskare från flera universitet har forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory upptäckt en metod för att introducera spinnande elektroner som qubits i ett värdnanomaterial (Nature Communications, "Långlivade elektroniska spin-qubits i enkelväggiga kolnanorör"). Deras testresultat avslöjade rekordlånga koherenstider - nyckelegenskapen för varje praktisk qubit eftersom den definierar antalet kvantoperationer som kan utföras under qubitens livstid. Konstnärlig återgivning av kemiskt modifierad kolnanorör som är värd för en spinnande elektron som qubit Konstnärlig återgivning av kemiskt modifierad kolnanorör som är värd för en spinnande elektron som qubit. (Bild: Argonne National Laboratory) Elektroner har en egenskap som är analog med spinnet på en topp, med en viktig skillnad. När topparna snurrar på plats kan de rotera åt höger eller vänster. Elektroner kan bete sig som om de roterade i båda riktningarna samtidigt. Detta är en kvantfunktion som kallas superposition. Att vara i två tillstånd samtidigt gör elektroner till goda kandidater för spin-qubits. Spin qubits behöver ett lämpligt material för att hysa, kontrollera och detektera dem, samt läsa ut information i dem. Med det i åtanke valde teamet att undersöka ett nanomaterial som endast är tillverkat av kolatomer, som har en ihålig rörform och har en tjocklek på endast cirka en nanometer, eller en miljarddels meter, ungefär 100,000 XNUMX gånger tunnare än bredden på en mänskligt hår. "Dessa kolnanorör är vanligtvis några mikrometer långa," sa Xuedan Ma. "De är för det mesta fria från fluktuerande kärnspinn som skulle störa elektronens spinn och minska dess koherenstid." Ma är vetenskapsman vid Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science-användaranläggning. Hon har också utnämningar vid Pritzker School of Molecular Engineering vid University of Chicago och Northwestern-Argonne Institute of Science and Engineering vid Northwestern University. Problemet som laget stod inför är det kolnanorör i sig inte kan upprätthålla en spinnande elektron på en plats. Den rör sig runt nanoröret. Tidigare forskare har satt in elektroder nanometer isär för att begränsa en spinnande elektron mellan dem. Men det här arrangemanget är skrymmande, dyrt och utmanande att skala upp. Det nuvarande teamet utarbetade ett sätt att eliminera behovet av elektroder eller andra nanoskaliga enheter för att begränsa elektronen. Istället ändrar de kemiskt atomstrukturen i ett kolnanorör på ett sätt som fångar en snurrande elektron till en plats. "Till vår tillfredsställelse skapar vår kemiska modifieringsmetod en otroligt stabil spin-qubit i ett kolnanorör", säger kemisten Jia-Shiang Chen. Chen är medlem i både CNM och en postdoktor vid Center for Molecular Quantum Transduction vid Northwestern University. Teamets testresultat avslöjade rekordlånga koherenstider jämfört med system gjorda på andra sätt - 10 mikrosekunder. Med tanke på deras ringa storlek kan teamets spin qubit-plattform lättare integreras i kvantenheter och tillåter många möjliga sätt att läsa ut kvantinformationen. Dessutom är kolrören mycket flexibla och deras vibrationer kan användas för att lagra information från qubiten. "Det är långt från vår spin qubit i ett kolnanorör till praktisk teknik, men det här är ett stort tidigt steg i den riktningen," sa Ma.

Tidsstämpel:

Mer från Nanoverk