Las computadoras cuánticas prometen ser una tecnología revolucionaria porque sus bloques de construcción elementales, qubits, puede contener más información que el binario, 0 o 1 bits de computadoras clásicas. Pero para aprovechar esta capacidad, Se debe desarrollar hardware que pueda acceder, medir y manipular estados cuánticos individuales.

Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania ahora han demostrado una nueva plataforma de hardware basada en espines de electrones aislados en un material bidimensional. Los electrones quedan atrapados por defectos en láminas de nitruro de boro hexagonal, un material semiconductor de un átomo de espesor, y los investigadores pudieron detectar ópticamente los estados cuánticos del sistema.

El estudio fue dirigido por Lee Bassett, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas, y Annemarie Exarhos, luego investigador postdoctoral en su laboratorio.

Los miembros del laboratorio de Bassett, David Hopper y Raj Patel, junto con Marcus Doherty de la Universidad Nacional de Australia, también contribuyó al estudio.

Fue publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , donde se seleccionó como Resaltado del editor.

Hay varias arquitecturas potenciales para la construcción de tecnología cuántica. Un sistema prometedor involucra giros de electrones en diamantes:estos giros también quedan atrapados en defectos en el patrón cristalino regular del diamante donde faltan átomos de carbono o son reemplazados por otros elementos. Los defectos actúan como átomos o moléculas aisladas, e interactúan con la luz de una manera que permite medir su giro y usarlo como un qubit.

Estos sistemas son atractivos para la tecnología cuántica porque pueden operar a temperatura ambiente, a diferencia de otros prototipos basados ​​en superconductores ultrafríos o iones atrapados en el vacío, pero trabajar con diamantes a granel presenta sus propios desafíos.

"Una desventaja de usar giros en materiales 3-D es que no podemos controlar exactamente dónde están en relación con la superficie", dice Bassett. "Tener ese nivel de control de escala atómica es una razón para trabajar en 2-D. Tal vez quieras colocar un giro aquí y otro allí y hacer que se hablen entre sí. O si quieres tener un giro en una capa de un material y coloque una capa de imán 2-D en la parte superior y haga que interactúen. Cuando los espines se limitan a un solo plano atómico, habilitas una gran cantidad de nuevas funcionalidades ".

Con los avances nanotecnológicos que producen una biblioteca en expansión de materiales 2-D para elegir, Bassett y sus colegas buscaron el que se pareciera más a un análogo plano de un diamante a granel.

"Podría pensar que el análogo sería el grafeno, que es solo una red en forma de panal de átomos de carbono, pero aquí nos preocupan más las propiedades electrónicas del cristal que el tipo de átomos que lo componen, "dice Exarhos, quien ahora es profesor asistente de Física en Lafayette University. "El grafeno se comporta como un metal, mientras que el diamante es un semiconductor de banda ancha y, por lo tanto, actúa como un aislante. Nitruro de boro hexagonal, por otra parte, tiene la misma estructura de panal que el grafeno, pero, como un diamante también es un semiconductor de banda ancha y ya se utiliza ampliamente como capa dieléctrica en la electrónica 2-D ".

Con nitruro de boro hexagonal, o h-BN, ampliamente disponible y bien caracterizado, Bassett y sus colegas se centraron en uno de sus aspectos menos comprendidos:los defectos en su celosía alveolar que puede emitir luz.

Anteriormente se sabía que la pieza promedio de h-BN contiene defectos que emiten luz. El grupo de Bassett es el primero en demostrar que, por algunos de esos defectos, la intensidad de la luz emitida cambia en respuesta a un campo magnético.

"Iluminamos el material con luz de un color y recuperamos fotones de otro color, "Dice Bassett." El imán controla el giro y el giro controla el número de fotones que emiten los defectos en el h-BN. Esa es una señal que potencialmente puede usar como un qubit ".

Más allá de la computación, tener el bloque de construcción de los qubits de una máquina cuántica en una superficie 2-D permite otras aplicaciones potenciales que dependen de la proximidad.

"Los sistemas cuánticos son muy sensibles a sus entornos, por eso son tan difíciles de aislar y controlar, "Dice Bassett." Pero la otra cara es que puedes usar esa sensibilidad para hacer nuevos tipos de sensores. En principio, estos pequeños giros pueden ser detectores de resonancia magnética nuclear en miniatura, como el que se usa en las resonancias magnéticas, pero con la capacidad de operar sobre una sola molécula.

La resonancia magnética nuclear se utiliza actualmente para aprender sobre la estructura molecular, pero requiere que millones o miles de millones de la molécula diana se ensamblen en un cristal. A diferencia de, Los sensores cuánticos 2-D podrían medir la estructura y la dinámica interna de moléculas individuales, por ejemplo, para estudiar reacciones químicas y plegamiento de proteínas.

Si bien los investigadores llevaron a cabo un estudio exhaustivo de los defectos de h-BN para descubrir los que tienen propiedades ópticas especiales dependientes del espín, la naturaleza exacta de esos defectos aún se desconoce. Los próximos pasos para el equipo incluyen comprender qué hace que algunos, pero no todos, defectos sensibles a campos magnéticos, y luego recreando esos útiles defectos.

Parte de ese trabajo será habilitado por el Centro Singh de Nanotecnología de Penn y su nuevo microscopio JEOL NEOARM. El único microscopio electrónico de transmisión de su tipo en los Estados Unidos, el NEOARM es capaz de resolver átomos individuales y potencialmente incluso crear los tipos de defectos con los que los investigadores quieren trabajar.

"Este estudio reúne dos áreas principales de investigación científica, "Dice Bassett." Por un lado, Se ha trabajado mucho para ampliar la biblioteca de materiales 2-D y comprender la física que exhiben y los dispositivos que pueden fabricar. Por otra parte, está el desarrollo de estas diferentes arquitecturas cuánticas. Y este es uno de los primeros en reunirlos para decir 'aquí hay una arquitectura cuántica potencialmente a temperatura ambiente en un material 2-D' ".