Een innovatieve draai: buisvormig nanomateriaal van koolstof is de ideale thuisbasis voor het draaien van kwantumbits

Wetenschappers strijden hevig om de contra-intuïtieve ontdekkingen over het kwantumrijk van een eeuw geleden om te zetten in technologieën van de toekomst. De bouwsteen in deze technologieën is de quantumbit, of qubit. Er zijn verschillende soorten in ontwikkeling, waaronder soorten die defecten gebruiken in de symmetrische structuren van diamant en silicium. Ze kunnen op een dag de computertechnologie transformeren, de ontdekking van geneesmiddelen versnellen, niet-hackbare netwerken genereren en meer.

In samenwerking met onderzoekers van verschillende universiteiten hebben wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) een methode ontdekt voor het introduceren van draaiende elektronen als qubits in een gastnanomateriaal. Hun testresultaten onthulden recordlange coherentietijden – de belangrijkste eigenschap voor elke praktische qubit omdat het het aantal kwantumbewerkingen definieert dat tijdens de levensduur van de qubit kan worden uitgevoerd.

Elektronen hebben een eigenschap die analoog is aan de spin van een tol, met een belangrijk verschil. Wanneer toppen op hun plaats draaien, kunnen ze naar rechts of links draaien. Elektronen kunnen zich gedragen alsof ze tegelijkertijd in beide richtingen draaien. Dit is een kwantumfunctie die superpositie wordt genoemd. Doordat ze tegelijkertijd in twee toestanden zijn, zijn elektronen goede kandidaten voor spinqubits.

Spinqubits hebben geschikt materiaal nodig om ze te huisvesten, te controleren en te detecteren, en om er informatie in uit te lezen. Met dat in gedachten koos het team ervoor om een ​​nanomateriaal te onderzoeken dat alleen is gemaakt van koolstofatomen, een holle buisvorm heeft en een dikte heeft van slechts ongeveer één nanometer, of een miljardste van een meter, ruwweg 100.000 keer dunner dan de breedte van een menselijk haar.

“Deze koolstofnanobuisjes zijn meestal enkele micrometers lang”, zegt Xuedan Ma. “Ze zijn meestal vrij van fluctuerende nucleaire spins die de spin van het elektron zouden verstoren en de coherentietijd zouden verkorten.”

Ma is een wetenschapper in Argonne’s Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit. Ze heeft ook aanstellingen bij de Pritzker School of Molecular Engineering aan de Universiteit van Chicago en het Northwestern-Argonne Institute of Science and Engineering aan de Northwestern University.

Het probleem waarmee het team werd geconfronteerd, is dat koolstofnanobuisjes op zichzelf geen draaiend elektron op één plek kunnen houden. Het beweegt over de nanobuis. Eerdere onderzoekers hebben elektroden op nanometerafstand geplaatst om een ​​ronddraaiend elektron ertussen te houden. Maar deze regeling is omvangrijk, duur en uitdagend om op te schalen.

Het huidige team bedacht een manier om de behoefte aan elektroden of andere apparaten op nanoschaal voor het opsluiten van het elektron te elimineren. In plaats daarvan veranderen ze chemisch de atomaire structuur in een koolstofnanobuis op een manier die een ronddraaiend elektron op één locatie vasthoudt.

“Tot onze grote voldoening creëert onze chemische modificatiemethode een ongelooflijk stabiele spinqubit in een koolstofnanobuis”, zegt chemicus Jia-Shiang Chen. Chen is lid van zowel CNM als een postdoctoraal onderzoeker in het Center for Molecular Quantum Transduction aan de Northwestern University.

De testresultaten van het team onthulden recordlange coherentietijden in vergelijking met die van systemen die met andere middelen zijn gemaakt: 10 microseconden.

Gezien hun kleine omvang kan het spin-qubit-platform van het team gemakkelijker worden geïntegreerd in kwantumapparaten en biedt het vele manieren om de kwantuminformatie uit te lezen. Ook zijn de koolstofbuizen zeer flexibel en kunnen hun trillingen worden gebruikt om informatie van de qubit op te slaan.

“Het is een lange weg van onze spin-qubit in een koolstofnanobuis naar praktische technologieën, maar dit is een grote eerste stap in die richting”, zei Ma.

De bevindingen van het team werden gerapporteerd in Natuurcommunicatie.