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.

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 CsPbBr 3 , 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».