На заре эры слоистых квантовых материалов

Нобелевская премия по физике 2022 года, присуждаемая «за эксперименты со запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторскую квантовую информатику», стимулировала значительный прогресс в приложениях квантовых технологий.

Исследователи из Кембриджского университета, флагманского партнера графена, в сотрудничестве с Сиднейским технологическим университетом (Австралия) опубликовали перспективу, описывающую потенциал слоистых материалов для квантовых технологий.

Особые характеристики слоистых материалов

Слоистые материалы обладают уникальными оптическими, электронными, магнитными, тепловыми и механическими характеристиками и уже продемонстрировали свой потенциал в качестве масштабируемых компонентов для квантовых источников света, которые излучают свет контролируемым образом на квантовом уровне, детекторов фотонов, наноразмерных датчиков и в полевых условиях. квантового моделирования.

Многослойные материалы обладают особыми электронными свойствами, которые позволяют создавать кубиты — фундаментальные единицы квантовой информации, аналогичные классическим битам (0 и 1) в обычных вычислениях. Свойства этих кубитов можно использовать дляквантовые вычисления,ощущениеикоммуникации . Используя квантовое поведение слоистых материалов, например их способность генерировать одиночные фотоны и манипулировать ими, можно разработать эффективные компоненты для сетей квантовой связи, включая источники, детекторы и модуляторы. Слоистые материалы можно интегрировать с оптическими волноводами и полостями для манипулирования и контроля потока фотонов на квантовом уровне. Многоуровневые материалы также идеально подходят для протоколов безопасной связи и шифрования, таких как платформы квантового распределения ключей (QKD), которые невосприимчивы к подслушиванию.

Фокус на однофотонных излучателях

В настоящее время большая часть исследований по применению слоистых материалов в квантовых технологиях сосредоточена наоднофотонные излучатели . Они важны, потому что служат источниками отдельных фотонов и, если наделены спинами, могут работать какоптически активные кубиты . Используя взаимодействие между кубитами и фотонами, оптически активные кубиты позволяют передавать, манипулировать и контролировать квантовую информацию с помощью света. Например, они позволяют передавать квантовые состояния от одного кубита к другому, даже если они физически разделены.

«Для квантовой связи на большие расстояния и распределенных квантовых вычислений вам нужно соединить два места, находящиеся на расстоянии нескольких километров или даже тысяч километров друг от друга. Эту задачу берут на себя фотоны, которые переносят квантовую информацию между двумя квантовыми процессорами», — объясняет Алехандро Р.-П. Montblanch из Кембриджского университета, флагманского партнера графена.

Одним из наиболее известных примеров однофотонных излучателей является алмаз с примесями. Когда атомы углерода в алмазе заменяются азотом, это приводит к уникальным оптическим и спиновым свойствам, включая способность излучать одиночные фотоны. Другие эмиттеры одиночных фотонов представляют собой слоистые квантовые материалы, которые включают полупроводниковые дихалькогениды переходных металлов (TMD), такие как WSe2, WS2, MoSe2, MoS2 и MoTe2, гексагональный нитрид бора (hBN), графен, гетероструктуры, InSe, GaSe и слоистые материалы Януса. (WSeS, MoSeS).

hBN интересен тем, что он может работать при комнатной температуре, может излучать фотоны в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового диапазона и содержит управляемые спины для разработки новых квантовых датчиков или квантовых повторителей. Для создания однофотонных излучателей в TMD и hBN можно использовать различные методы. Например, их можно создать, помещая слоистый материал на наностолбики, вдавливая слоистый материал с помощью атомно-силового микроскопа, бомбардируя материал ионами гелия, создавая дефекты или укладывая слоистые материалы под определенным углом для создания муарового рисунка.

Взгляд в будущее