在2022 年8 月15 日發表於《自然材料》期刊上的一篇文章中，普渡大學研究團隊詳細介紹了《六方氮化硼的核自旋極化與控制》。SCI Tech Daily 指出：借助光和電子自旋量子比特來控制二維材料中的核自旋，其開闢了量子科學技術的新前沿。

據悉，該團隊將電子自旋量子比特作為原子級傳感器、並首次對超薄六方氮化硼中的核自旋量子比特展開實驗控制。

除了實現原子級核磁共振光譜等應用，該技術還賦予了在二維材料中讀寫具有核自旋的量子信息的能力。

通訊作者兼普渡大學物理、天文、電器和計算機工程系副教授，

同時也是該校量子科學與工程研究所成員之一的李銅倉（Tongcang Li）表示——

這是首個展示展示二維材料中核自旋的光學初始化和相干控制工作！

當前該團隊已能夠使用光來初始化核自旋，並且通過這種控制，能夠在二維材料中寫入/ 讀取帶有核自旋的量子信息。

展望未來，這種方法可在量子存儲、傳感、以及模擬等領域發揮重要的作用。

作為量子技術的最基礎單位，量子比特（qubit）算是經典計算機比特（bit）的量子衍生版本。

與傳統芯片上的矽晶體管不同，量子比特通常由原子、亞原子粒子、或光子構成。

在電子或核自旋量子比特中，我們可用自旋來指定二進制的’0’或’1’狀態。

這是一種與磁極性大致相似的特性—— 意味著自旋對電磁場很是敏感。

而想要執行任何任務，都必須先控制旋轉，然後連貫或長期保持。

接著我們可用自旋量子比特作為傳感器—— 例如以納米級分辨率來探測蛋白質的結構或目標溫度。

而後被困在3D 金剛石晶體缺陷中的電子，可產生10 – 100 nm 範圍內的圖像/ 傳感分辨率。

不過嵌入單層或二維材料中的量子比特，可以更接近目標樣本，從而帶來更高的分辨率、以及更強的信號—— 新研究為這一目標鋪平了道路。

早在2019 年，研究人員就已通過從原子晶格中去除一個硼原子、並在其位置捕獲一個電子，而在六方氮化硼（hexagonal boron nitride）中構建了一個電子自旋量子比特。

所謂硼空位電子自旋量子比特，還提供了一條誘人的途徑，來控制晶格中每個電子自旋量子比特周圍的氮原子的核自旋。

在這項工作中， 研究團隊在超薄六方氮化硼中建立了光子與核自旋之間的界面。

核自旋可通過周圍的電子自旋量子比特進行光學初始化（設置為已知的自旋）。

然後便可利用射頻來改變核自旋量子位（寫入信息）、或測量核自旋量子位的變化（讀取信息）。

本例中，研究團隊還實現了一次對三個氮原子核的利用，且其相干時間是室溫下電子量子比特的30 倍以上。

此外2D 材料能夠直接分層至另一種材料，從而創建一個內置的傳感器。Tongcang Li 補充道：

二維核自旋晶格非常適用於大規模量子模擬，因為它可在較超導量子比特更高的溫度下工作。

為控制核自旋量子比特，該方案需要先從晶格中去除一個硼原子、並用一個電子代替它。

此時電子位於三個氮原子的中心，且每個氮原子核都處於隨機自旋狀態—— 狀態可能為-1、0 或+1 。

接著用激光將電子泵浦到0 自旋態，這一操作對氮核的自旋影響可以忽略不計。

（來自：Nature Materials）

最後，受激電子與周圍三個氮原子核之間的超精細相互作用，會迫使原子核的自旋發生變化。

當循環重複多次時，原子核的自旋達到+1 狀態。無論重複的相互作用如何，它都會保持不變。

再將所有三個原子核都設置為+1 狀態，便可將之當做三個量子比特來使用了。