Coherente manipulatie van spinqubits bij kamertemperatuur

Een onderzoeksgroep onder leiding van prof. Wu Kaifeng van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP), Chinese Academie van Wetenschappen rapporteerde onlangs de succesvolle initialisatie, coherente kwantumtoestandcontrole en uitlezing van spins bij kamertemperatuur met behulp van in oplossing gegroeide kwantumdots, wat een belangrijke vooruitgang betekent in de kwantuminformatiewetenschap.

De studie is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie op 19 december.

Kwantuminformatiewetenschap houdt zich bezig met het manipuleren van de kwantumversie van informatiebits (qubits genoemd). Wanneer mensen praten over materialen voor kwantuminformatieverwerking, denken ze meestal aan materialen die zijn vervaardigd met behulp van de meest geavanceerde technologieën en die werken bij zeer koude temperaturen (onder een paar Kelvin), niet aan de “warme en rommelige” materialen die door chemici in oplossing zijn gesynthetiseerd.

De afgelopen jaren zijn geïsoleerde defecten ontdekt in vaste stoffen (zoals NV-centra) die spin-qubit-manipulatie bij kamertemperatuur mogelijk hebben gemaakt, maar opgeschaalde productie van deze “puntdefecten” zal uiteindelijk een uitdaging worden.

Colloïdale kwantumdots (QD’s), kleine halfgeleider nanodeeltjes die in oplossing zijn gemaakt, kunnen een game-wisselaar zijn. Ze kunnen tegen lage kosten in grote hoeveelheden in oplossing worden gesynthetiseerd, maar met een hoge finesse in grootte- en vormcontrole.

Verder zijn ze meestal sterk kwantumbegrensd, waardoor hun dragers goed geïsoleerd zijn van het fononbad, wat een langdurige spin-coherentie bij kamertemperatuur mogelijk zou kunnen maken. Maar coherente manipulatie bij kamertemperatuur van spins in colloïdale QD’s is nog nooit gerapporteerd, in die zin dat er nog een QD-systeem moet worden uitgevonden waarvan de spins gelijktijdig kunnen worden geïnitialiseerd, geroteerd en uitgelezen bij kamertemperatuur.

Hier laten de auteurs zien dat in oplossing gegroeide CsPbBr₃ perovskiet QD’s kunnen dit intimiderende doel daadwerkelijk bereiken. Gepolariseerde gatenspins worden verkregen door sub-picoseconde elektronenspoeling, naar aan het oppervlak verankerde moleculaire acceptoren, na een circulair gepolariseerde femtoseconde pulsexcitatie.

Een transversaal magnetisch veld induceert een coherente Larmor-precessie van de gatenspins. Een tweede off-resonantie femtoseconde puls roteert de spins coherent door het optische Stark-effect, dat mogelijk wordt gemaakt door de uitzonderlijk sterke licht-materie-interactie van de perovskiet-QD’s. Deze resultaten vertegenwoordigen volledige controle van de kwantumtoestand van single-hole spins bij kamertemperatuur, wat een grote belofte inhoudt voor een schaalbare en duurzame toekomst van op spin gebaseerde kwantuminformatieverwerking

“Ons succes hier wordt mogelijk gemaakt door een zeer zeldzame combinatie van kennis op het gebied van materialen, scheikunde en natuurkunde”, zei prof. Wu. “We fabriceerden sterk en uniform begrensde CsPbBr₃ QD’s als het unieke systeem voor de studie, en identificeerden geschikte oppervlakte-ligandmoleculen om de elektronen snel te extraheren via ladingsoverdrachtchemie voor hole-spin-initialisatie bij kamertemperatuur. Ondertussen konden we de sterke licht-materie-interactie van deze QD’s gebruiken om coherente spinmanipulatie uit te voeren.”