Нові дослідження показують, що мікроскопічні щілини в матеріалі товщиною всього в кілька атомів мають потенціал для розвитку безлічі квантових технологій, що наближає нас до широкого використання квантових мереж і сенсорів.
Наразі зберігання квантових даних у спінових властивостях електронів, відомих як спінова когерентність, вимагає дуже специфічної і делікатної лабораторної установки. Це не те, що можна зробити без ретельно контрольованого середовища.
Тут міжнародній команді дослідників вдалося продемонструвати спостережувану спінову когерентність при кімнатній температурі, використовуючи крихітні дефекти в шаруватому 2D-матеріалі під назвою гексагональний нітрид бору (hBN).
“Результати показують, що як тільки ми записуємо певний квантовий стан на спін цих електронів, ця інформація зберігається протягом приблизно однієї мільйонної секунди, що робить цю систему дуже перспективною платформою для квантових застосувань”, – говорить фізик Кармем Гілардоні з Кембриджського університету у Великобританії.
“Це може здатися коротким, але цікавим є те, що ця система не потребує особливих умов – вона може зберігати спіновий квантовий стан навіть при кімнатній температурі і не потребує великих магнітів”.
Шари hBN тримаються разом завдяки молекулярним силам, вбудованим у сам матеріал, але під час синтезу чи обробки матеріалу можуть з’являтися дефекти. Це призводить до появи крихітних місць, де електрони можуть бути захоплені.
Дослідники не тільки змогли вловити і спостерігати електрони в дефектах hBN, вони також змогли маніпулювати ними за допомогою світла. Це вперше для експериментів такого типу при нормальній температурі навколишнього середовища.
Виходячи з вимірювань, проведених командою, використання hBN є перспективним в якості стабільного квантового сховища – навіть якщо зараз квантові стани можуть зберігатися лише протягом невеликої частки секунди, є ознаки того, що з часом це може бути збільшено.
“Робота з цією системою продемонструвала нам силу фундаментальних досліджень нових матеріалів”, – каже фізик Ханна Стерн з Манчестерського університету у Великобританії.
“Що стосується системи hBN, то ми можемо використовувати динаміку збуджених станів в інших нових матеріальних платформах для використання в майбутніх квантових технологіях”.
Збереження квантових станів – і квантової інформації – стабільними і захищеними від перешкод є постійним викликом для вчених, які постійно шукають нові матеріали і нові методи для підвищення стабільності.
Зараз команда досліджує способи збільшити час зберігання спіну за межі мільйонної частки секунди, підвищити надійність дефекту та якість світла, що випромінюється з нього.
Поступово, повільно, але впевнено, ми зможемо розробити більш досконалі квантові сенсори, здатні відстежувати найдрібніші зміни у Всесвіті, а також квантові мережі для надшвидкої та наднадійної передачі інформації.
“Кожна нова перспективна система розширюватиме інструментарій доступних матеріалів, і кожен новий крок у цьому напрямку сприятиме масштабованому впровадженню квантових технологій”, – каже Стерн.