量子计算机有望成为一项革命性的技术，因为它的基本构件量子位元可以比经典计算机的二进制位(0位或1位)存储更多的信息。但要利用这种能力，必须开发能够访问、测量和操纵单个量子态的硬件。宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员现在展示了一种新的硬件平台，该平台基于二维材料中的孤立电子自旋。这些电子被单原子厚度的半导体材料氮化硼的缺陷所捕获，研究人员能够通过光学探测到该系统的量子态。该研究由电子与系统工程系助理教授李·巴塞特(Lee Bassett)和当时在他的实验室做博士后研究的安玛丽·埃克萨霍斯(Annemarie Exarhos)领导。
博科园-科学科普：Bassett实验室的成员David Hopper和Raj Patel以及澳大利亚国立大学的Marcus Doherty也参与了这项研究。这项研究发表在《自然通讯》(Nature Communications)上，并被编辑选为亮点。构建量子技术有许多潜在的架构，一个很有前途的系统涉及到钻石中的电子自旋：这些自旋也被困在钻石正常晶体结构的缺陷中，即碳原子缺失或被其他元素取代。这些缺陷就像孤立的原子或分子一样，它们与光相互作用，使它们的自旋能够被测量并作为量子位元使用。这些系统对量子技术很有吸引力，因为它们可以在室温下运行，不像其他基于超冷超导体或真空离子的原型，但使用大块钻石本身也存在挑战。
在三维材料中使用自旋的一个缺点是，无法精确控制它们相对于表面的位置。原子尺度控制水平是在二维空间工作的原因之一。也许你想把一个自旋放在这里，一个自旋放在那里，让它们互相交流。或者如果你想在一层材料上旋转然后在上面放一个二维磁铁层让它们相互作用。当自旋被限制在一个原子平面上时，就会产生许多新的功能。随着纳米技术的进步，可选择的二维材料库不断扩大，巴塞特和同事们寻求一种最像大块钻石的平面模拟物。拉法叶大学(Lafayette University)的物理学助理教授埃克萨霍说：你可能会认为类似物是石墨烯，它只是一个由碳原子组成的蜂窝状晶格，但在这里，我们更关心的是晶体电子特性，而不是它是由什么类型的原子组成。
宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员现在展示了一种新的硬件平台，该平台基于二维材料中的孤立电子自旋。这些电子被单原子厚度的半导体材料氮化硼的缺陷所捕获，研究人员能够通过光学探测到该系统的量子态。图片：Ann Sizemore Blevins
石墨烯表现得像金属，而钻石是一种宽带隙半导体，因此就像绝缘体。另一方面，六边形氮化硼具有与石墨烯相同的蜂窝状结构，但与金刚石一样，它也是一种宽带隙半导体，已经在二维电子中广泛用作介电层。由于六方氮化硼(h-BN)的广泛应用和良好的特性，巴塞特和他的同事们把注意力集中在了它不太为人所知的一个方面：蜂窝晶格中可以发光的缺陷。之前人们已经知道，h-BN的平均部分含有发光缺陷。巴塞特的研究小组首次证明，对于某些缺陷，发出光的强度会随着磁场变化而变化。将一种颜色的光照射到这种材料上，就会得到另一种颜色的光子。磁铁控制旋转，旋转控制h-BN缺陷发射的光子数量，这是一个可以作为量子位使用的信号
除了计算之外，将量子机器的量子位元构建在二维平面上，还可以实现其他依赖于邻近性的潜在应用。量子系统对它们所处的环境非常敏感，这就是为什么它们如此难以隔离和控制。但另一方面，可以利用这种灵敏度来制造新型传感器。理论上，这些微小的自旋可以成为微型核磁共振探测器，就像核磁共振成像中使用的那种，但是能够作用于单个分子。核磁共振目前被用来研究分子结构，但它需要数百万或数十亿的目标分子组装成一个晶体。相比之下，二维量子传感器可以测量单个分子的结构和内部动力学，例如研究化学反应和蛋白质折叠。
尽管研究人员对h-BN缺陷进行了广泛的调查，以发现那些具有特殊自旋相关光学特性的缺陷，但这些缺陷的确切性质仍不清楚。团队的下一步研究工作包括了解是什么使一些(但不是全部)缺陷响应磁场，然后重新创建那些有用的缺陷。其中一些工作将由宾夕法尼亚大学辛格纳米技术中心及其新的JEOL NEOARM显微镜提供支持。新臂是美国唯一的透射电子显微镜，它能够分辨单个原子，甚至有可能制造出研究人员想要研究的缺陷。这项研究将两个主要的科学研究领域结合在一起，一方面在扩展二维材料的图书馆和理解他们展示的物理及能制造设备方面，已经有大量的工作要做。另一方面，这些不同的量子结构也在发展，这是一个潜在的室温量子结构在二维材料中。
博科园-科学科普｜研究/来自:宾夕法尼亚大学
参考期刊文献:《Nature Communications》
DOI: 10.1038/s41467-018-08185-8
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