量子計(jì)算機(jī)有望成為一項(xiàng)革命性的技術(shù)，因?yàn)樗幕緲?gòu)件量子位元可以比經(jīng)典計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制位(0位或1位)存儲更多的信息。但要利用這種能力，必須開發(fā)能夠訪問、測量和操縱單個量子態(tài)的硬件。

賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員現(xiàn)在展示了一種新的硬件平臺，該平臺基于二維材料中的孤立電子自旋。這些電子被單原子厚度的半導(dǎo)體材料氮化硼的缺陷所捕獲，研究人員能夠通過光學(xué)探測到該系統(tǒng)的量子態(tài)。該研究由電子與系統(tǒng)工程系助理教授李·巴塞特(Lee Bassett)和當(dāng)時在他的實(shí)驗(yàn)室做博士后研究的安瑪麗·?？怂_霍斯(Annemarie Exarhos)領(lǐng)導(dǎo)。

博科園-科學(xué)科普：Bassett實(shí)驗(yàn)室的成員David Hopper和Raj Patel以及澳大利亞國立大學(xué)的Marcus Doherty也參與了這項(xiàng)研究。這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然通訊》(Nature Communications)上，并被編輯選為亮點(diǎn)。構(gòu)建量子技術(shù)有許多潛在的架構(gòu)，一個很有前途的系統(tǒng)涉及到鉆石中的電子自旋：這些自旋也被困在鉆石正常晶體結(jié)構(gòu)的缺陷中，即碳原子缺失或被其他元素取代。這些缺陷就像孤立的原子或分子一樣，它們與光相互作用，使它們的自旋能夠被測量并作為量子位元使用。這些系統(tǒng)對量子技術(shù)很有吸引力，因?yàn)樗鼈兛梢栽谑覝叵逻\(yùn)行，不像其他基于超冷超導(dǎo)體或真空離子的原型，但使用大塊鉆石本身也存在挑戰(zhàn)。

在三維材料中使用自旋的一個缺點(diǎn)是，無法精確控制它們相對于表面的位置。原子尺度控制水平是在二維空間工作的原因之一。也許你想把一個自旋放在這里，一個自旋放在那里，讓它們互相交流?；蛘呷绻阆朐谝粚硬牧仙闲D(zhuǎn)然后在上面放一個二維磁鐵層讓它們相互作用。當(dāng)自旋被限制在一個原子平面上時，就會產(chǎn)生許多新的功能。隨著納米技術(shù)的進(jìn)步，可選擇的二維材料庫不斷擴(kuò)大，巴塞特和同事們尋求一種最像大塊鉆石的平面模擬物。拉法葉大學(xué)(Lafayette University)的物理學(xué)助理教授?？怂_霍說：你可能會認(rèn)為類似物是石墨烯，它只是一個由碳原子組成的蜂窩狀晶格，但在這里，我們更關(guān)心的是晶體電子特性，而不是它是由什么類型的原子組成。

石墨烯表現(xiàn)得像金屬，而鉆石是一種寬帶隙半導(dǎo)體，因此就像絕緣體。另一方面，六邊形氮化硼具有與石墨烯相同的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，但與金剛石一樣，它也是一種寬帶隙半導(dǎo)體，已經(jīng)在二維電子中廣泛用作介電層。由于六方氮化硼(h-BN)的廣泛應(yīng)用和良好的特性，巴塞特和他的同事們把注意力集中在了它不太為人所知的一個方面：蜂窩晶格中可以發(fā)光的缺陷。之前人們已經(jīng)知道，h-BN的平均部分含有發(fā)光缺陷。巴塞特的研究小組首次證明，對于某些缺陷，發(fā)出光的強(qiáng)度會隨著磁場變化而變化。將一種顏色的光照射到這種材料上，就會得到另一種顏色的光子。磁鐵控制旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)控制h-BN缺陷發(fā)射的光子數(shù)量，這是一個可以作為量子位使用的信號

除了計(jì)算之外，將量子機(jī)器的量子位元構(gòu)建在二維平面上，還可以實(shí)現(xiàn)其他依賴于鄰近性的潛在應(yīng)用。量子系統(tǒng)對它們所處的環(huán)境非常敏感，這就是為什么它們?nèi)绱穗y以隔離和控制。但另一方面，可以利用這種靈敏度來制造新型傳感器。理論上，這些微小的自旋可以成為微型核磁共振探測器，就像核磁共振成像中使用的那種，但是能夠作用于單個分子。核磁共振目前被用來研究分子結(jié)構(gòu)，但它需要數(shù)百萬或數(shù)十億的目標(biāo)分子組裝成一個晶體。相比之下，二維量子傳感器可以測量單個分子的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部動力學(xué)，例如研究化學(xué)反應(yīng)和蛋白質(zhì)折疊。

盡管研究人員對h-BN缺陷進(jìn)行了廣泛的調(diào)查，以發(fā)現(xiàn)那些具有特殊自旋相關(guān)光學(xué)特性的缺陷，但這些缺陷的確切性質(zhì)仍不清楚。團(tuán)隊(duì)的下一步研究工作包括了解是什么使一些(但不是全部)缺陷響應(yīng)磁場，然后重新創(chuàng)建那些有用的缺陷。其中一些工作將由賓夕法尼亞大學(xué)辛格納米技術(shù)中心及其新的JEOL NEOARM顯微鏡提供支持。新臂是美國唯一的透射電子顯微鏡，它能夠分辨單個原子，甚至有可能制造出研究人員想要研究的缺陷。這項(xiàng)研究將兩個主要的科學(xué)研究領(lǐng)域結(jié)合在一起，一方面在擴(kuò)展二維材料的圖書館和理解他們展示的物理及能制造設(shè)備方面，已經(jīng)有大量的工作要做。另一方面，這些不同的量子結(jié)構(gòu)也在發(fā)展，這是一個潛在的室溫量子結(jié)構(gòu)在二維材料中。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:?賓夕法尼亞大學(xué)

參考期刊文獻(xiàn):《Nature Communications》

DOI: 10.1038/s41467-018-08185-8

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