Bộ nhớ lượng tử: Vật liệu 2D được xác định có thể lưu trữ thông tin lượng tử ở nhiệt độ phòng

Các nhà nghiên cứu đã xác định được một vật liệu hai chiều có thể được sử dụng để lưu trữ thông tin lượng tử ở nhiệt độ phòng.

Bộ nhớ lượng tử là một khối xây dựng chính cần được giải quyết trong quá trình xây dựng mạng internet lượng tử, nơi thông tin lượng tử được lưu trữ và gửi đi một cách an toàn thông qua các photon hoặc các hạt ánh sáng.

“Có những khiếm khuyết trong vật liệu này có thể phát ra các photon đơn lẻ, có nghĩa là nó có thể được sử dụng trong các hệ thống lượng tử.” – Hannah Stern

Các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Cavendish tại Đại học Cambridge, phối hợp với các đồng nghiệp từ UT Sydney ở Úc, đã xác định được một vật liệu hai chiều, boron nitride lục giác, có thể phát ra các photon đơn lẻ từ các khuyết tật quy mô nguyên tử trong cấu trúc của nó ở nhiệt độ phòng.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng ánh sáng phát ra từ những khuyết tật cô lập này cung cấp thông tin về một thuộc tính lượng tử có thể được sử dụng để lưu trữ thông tin lượng tử, được gọi là spin, nghĩa là vật liệu có thể hữu ích cho các ứng dụng lượng tử. Quan trọng là, spin lượng tử có thể được truy cập thông qua ánh sáng và ở nhiệt độ phòng.

Phát hiện cuối cùng có thể hỗ trợ các mạng lượng tử có thể mở rộng được xây dựng từ các vật liệu hai chiều có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng. Kết quả được báo cáo trên tạp chí Nature Communications .

Các mạng truyền thông trong tương lai sẽ sử dụng các photon đơn lẻ để gửi thông điệp trên khắp thế giới, điều này sẽ dẫn đến các công nghệ truyền thông toàn cầu an toàn hơn.

Máy tính và mạng được xây dựng dựa trên các nguyên tắc của cơ học lượng tử sẽ mạnh hơn và an toàn hơn nhiều so với các công nghệ hiện tại. Tuy nhiên, để làm cho các mạng như vậy có thể thực hiện được, các nhà nghiên cứu cần phát triển các phương pháp đáng tin cậy để tạo ra các photon đơn lẻ, không thể phân biệt được làm vật mang thông tin qua các mạng lượng tử.

Tiến sĩ Hannah Stern từ Phòng thí nghiệm Cavendish của Cambridge cho biết: “Chúng ta có thể gửi thông tin từ nơi này đến nơi khác bằng cách sử dụng các photon, nhưng nếu chúng ta định xây dựng các mạng lượng tử thực sự, chúng ta cần gửi thông tin, lưu trữ và gửi nó đến một nơi khác,” Tiến sĩ Hannah Stern từ Phòng thí nghiệm Cavendish của Cambridge cho biết. đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu, cùng với Qiushi Gu và Tiến sĩ John Jarman. “Chúng tôi cần những vật liệu có thể lưu giữ thông tin lượng tử trong một khoảng thời gian nhất định ở nhiệt độ phòng, nhưng hầu hết các nền tảng vật liệu hiện tại mà chúng tôi có đang gặp nhiều khó khăn để chế tạo và chỉ hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp.”

Nitrua bo lục giác là một vật liệu hai chiều được tạo ra bằng cách lắng đọng hơi hóa học trong các lò phản ứng lớn. Nó rẻ và có thể mở rộng. Những nỗ lực gần đây đã cho thấy sự hiện diện của các bộ phát photon đơn lẻ và sự hiện diện của một nhóm dày đặc các spin có thể tiếp cận quang học, nhưng không phải là các giao diện spin-photon riêng lẻ hoạt động trong các điều kiện xung quanh.

“Thông thường, đó là một vật liệu khá nhàm chán thường được sử dụng như một chất cách điện,” Stern, Nghiên cứu viên Junior tại Đại học Trinity, cho biết. “Nhưng chúng tôi phát hiện ra rằng có những khiếm khuyết trong vật liệu này có thể phát ra các photon đơn lẻ, có nghĩa là nó có thể được sử dụng trong các hệ thống lượng tử. Nếu chúng ta có thể làm cho nó để lưu trữ thông tin lượng tử trong vòng quay, thì đó là một nền tảng có thể mở rộng. ”

Stern và các đồng nghiệp của cô đã thiết lập một mẫu boron nitride hình lục giác gần một ăng ten nhỏ bằng vàng và một nam châm có cường độ đặt. Bằng cách bắn tia laser vào mẫu ở nhiệt độ phòng, họ có thể quan sát nhiều phản ứng phụ thuộc từ trường khác nhau vào ánh sáng phát ra từ vật liệu.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng khi họ chiếu tia laser vào vật liệu, họ có thể điều khiển spin, hay momen động lượng vốn có, của các khuyết tật và sử dụng các khuyết tật như một cách lưu trữ thông tin lượng tử.

“Thông thường, tín hiệu luôn giống nhau trong các hệ thống này, nhưng trong trường hợp này, tín hiệu thay đổi tùy thuộc vào khiếm khuyết cụ thể mà chúng tôi đang nghiên cứu và không phải tất cả các khiếm khuyết đều hiển thị tín hiệu, vì vậy vẫn còn rất nhiều điều để khám phá”. đồng tác giả đầu tiên Qiushi Gu. “Có rất nhiều sự thay đổi trên chất liệu, giống như một tấm chăn phủ trên một bề mặt chuyển động – bạn sẽ thấy rất nhiều gợn sóng và tất cả chúng đều khác nhau.”

Giáo sư Mete Atature, người giám sát công trình, cho biết thêm “hiện tại chúng tôi đã xác định được các spin cô lập có thể tiếp cận quang học ở nhiệt độ phòng trong vật liệu này, các bước tiếp theo sẽ là hiểu chi tiết về quang lý của chúng và khám phá các chế độ hoạt động cho các ứng dụng khả thi bao gồm lưu trữ thông tin và cảm nhận lượng tử. Sẽ có một luồng vật lý thú vị theo sau công trình này. “

Tham khảo: “Cộng hưởng từ được phát hiện bằng quang học ở nhiệt độ phòng của các khuyết tật đơn lẻ trong boron nitride lục giác” của Hannah L. Stern, Qiushi Gu, John Jarman, Simone Eizagirre Barker, Noah Mendelson, Dipankar Chugh, Sam Schott, Hoe H. Tan, Henning Sirringhaus , Igor Aharonovich và Mete Atatüre, ngày 1 tháng 2 năm 2022, Nature Communications .
DOI: 10.1038 / s41467-022-28169-z

Nghiên cứu được hỗ trợ một phần bởi Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu. Mete Atature là thành viên của St John’s College, Cambridge.

Theo Scitechdaily