Двумерный материал может хранить квантовую информацию при комнатной температуре

Исследователи определили двумерный материал, который можно использовать для хранения квантовой информации при комнатной температуре.

Квантовая память является основным строительным блоком, который необходимо учитывать при построении квантового Интернета, где квантовая информация надежно хранится и отправляется с помощью фотонов или частиц света.

Исследователи из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета в сотрудничестве с коллегами из UT Sydney в Австралии идентифицировали двумерный материал, гексагональный нитрид бора, который может излучать одиночные фотоны из дефектов атомного масштаба в своей структуре при комнатной температуре.

Исследователи обнаружили, что свет, излучаемый этими изолированными дефектами, дает информацию о квантовом свойстве, которое можно использовать для хранения квантовой информации, называемой спином, что означает, что материал может быть полезен для квантовых приложений.

Важно отметить, что квантовый спин можно получить через свет и при комнатной температуре.

Открытие может в конечном итоге поддержать масштабируемые квантовые сети, построенные из двумерных материалов, которые могут работать при комнатной температуре. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Будущие сети связи будут использовать отдельные фотоны для отправки сообщений по всему миру, что приведет к более безопасным глобальным коммуникационным технологиям.

Компьютеры и сети, построенные на принципах квантовой механики, будут гораздо более мощными и более безопасными, чем современные технологии.

Однако для того, чтобы сделать такие сети возможными, исследователям необходимо разработать надежные методы генерации одиночных неразличимых фотонов в качестве носителей информации в квантовых сетях.

«Мы можем отправлять информацию из одного места в другое с помощью фотонов, но если мы собираемся строить настоящие квантовые сети, нам нужно отправлять информацию, хранить ее и отправлять куда-то еще», — говорит доктор Ханна Стерн из Кембриджской Кавендишской лаборатории. соавтор исследования вместе с Цюши Гу и доктором Джоном Джарменом.

«Нам нужны материалы, которые могут удерживать квантовую информацию в течение определенного периода времени при комнатной температуре, но большинство современных материальных платформ, которые у нас есть, сложны в изготовлении и хорошо работают только при низких температурах».

Гексагональный нитрид бора представляет собой двумерный материал, который выращивают методом химического осаждения из паровой фазы в больших реакторах.

Это дешево и масштабируемо. Недавние усилия выявили наличие излучателей одиночных фотонов и наличие плотного ансамбля оптически доступных спинов, но не отдельных изолированных интерфейсов спин-фотон, работающих в условиях окружающей среды.

«Обычно это довольно скучный материал, который обычно используется в качестве изолятора», — сказал Стерн, младший научный сотрудник Тринити-колледжа.

«Но мы обнаружили, что в этом материале есть дефекты, которые могут излучать одиночные фотоны, а значит, его можно использовать в квантовых системах. Если мы сможем заставить его хранить квантовую информацию во вращении, то это будет масштабируемая платформа».

Стерн и ее коллеги установили шестигранный образец нитрида бора рядом с крошечной золотой антенной и магнитом заданной силы.

Запустив лазер на образец при комнатной температуре, они смогли наблюдать множество различных реакций, зависящих от магнитного поля, на свет, излучаемый материалом.

Исследователи обнаружили, что когда они освещали материал лазером, они могли манипулировать вращением или собственным угловым моментом дефектов и использовать дефекты как способ хранения квантовой информации.

«Обычно в этих системах сигнал всегда одинаков, но в этом случае сигнал меняется в зависимости от конкретного дефекта, который мы изучаем, и не все дефекты показывают сигнал, так что еще многое предстоит выяснить», — сказал он. соавтор Цюши Гу.

«В материале много вариаций, как одеяло, накинутое на движущуюся поверхность — вы видите много ряби, и все они разные».

Профессор Мете Ататюр, руководившая работой, добавляет: «Теперь, когда мы идентифицировали оптически доступные изолированные спины при комнатной температуре в этом материале, следующими шагами будет детальное понимание их фотофизики и изучение режимов работы для возможных приложений, включая хранение информации и квантовое зондирование.

После этой работы будет поток веселой физики».

Исследование было частично поддержано Европейским исследовательским советом. Мете Ататюр — член колледжа Святого Иоанна в Кембридже.