Когерентное манипулирование спиновыми кубитами при комнатной температуре
Исследовательская группа под руководством профессора Ву Кайфэна из Даляньского института химической физики (DICP) Китайской академии наук недавно сообщила об успешной инициализации, когерентном управлении квантовым состоянием и считывании спинов при комнатной температуре с использованием квантовых точек, выращенных в растворе, что представляет собой важный прогресс в области квантовой информатики. Исследование было опубликовано в журнале Nature Nanotechnology 19 декабря.
Инициализация, когерентный контроль квантового состояния и считывание спинов при комнатной температуре с использованием квантовых точек, выращенных в растворе. 1 кредит
Квантовая информатика занимается манипулированием квантовой версией информационных битов (называемых кубитами). Когда люди говорят о материалах для квантовой обработки информации, они обычно думают о материалах, изготовленных с использованием самых передовых технологий и работающих при очень низких температурах (ниже нескольких градусов Кельвина), а не о «теплых и грязных» материалах, синтезированных в растворе химиками.
В последние годы были обнаружены изолированные дефекты в твердотельных материалах (таких как NV-центры), которые сделали возможным манипулирование спиновыми кубитами при комнатной температуре, но масштабное производство этих «точечных дефектов» в конечном итоге станет проблемой.
Коллоидные квантовые точки (КТ), которые представляют собой крошечные полупроводниковые наночастицы, созданные в растворе, могут изменить правила игры. Их можно синтезировать в больших количествах в растворе по низкой цене, но с высокой точностью контроля размера и формы.
Кроме того, они обычно имеют сильное квантовое ограничение, поэтому их носители хорошо изолированы от фононной ванны, что может обеспечить долгоживущую спиновую когерентность при комнатной температуре. Но о когерентном манипулировании спинами в коллоидных КТ при комнатной температуре никогда не сообщалось, поскольку еще предстоит изобрести систему КТ, спины которой можно одновременно инициализировать, вращать и считывать при комнатной температуре.
Здесь авторы показывают, что КТ перовскита CsPbBr3, выращенные в растворе, действительно могут достичь этой пугающей цели. Поляризованные спины дырок получаются субпикосекундным переносом электронов на закрепленные на поверхности молекулярные акцепторы после возбуждения фемтосекундного импульса с круговой поляризацией.
Поперечное магнитное поле индуцирует когерентную ларморовскую прецессию спинов дырок. Второй нерезонансный фемтосекундный импульс когерентно вращает спины благодаря оптическому эффекту Штарка, который обеспечивается исключительно сильным взаимодействием света и вещества перовскитовых КТ. Эти результаты представляют собой полный контроль квантового состояния спинов одной дырки при комнатной температуре, что дает большие надежды на масштабируемое и устойчивое будущее квантовой обработки информации на основе спинов.
«Наш успех здесь обусловлен очень редким сочетанием знаний в области материалов, химии и физики», — сказал профессор Ву. «Мы изготовили сильно и равномерно ограниченные КТ CsPbBr 3 в качестве уникальной системы для исследования и определили подходящие молекулы поверхностного лиганда для быстрого извлечения электронов с помощью химии с переносом заряда для инициализации дырочных спинов при комнатной температуре. Между тем, мы были способных использовать сильное взаимодействие света и материи этих квантовых точек для выполнения когерентных манипуляций со спином».
