التشابك الكمي هو مورد للحوسبة والاتصالات الآمنة والقياسات فائقة الدقة. في المواد الصلبة، يُحصل عليه عادةً في الألماس أو كربيد السيليكون، لكن المواد ثنائية الأبعاد تمنح أجهزة الاستشعار الكمومية دقة مكانية غير مسبوقة: مسبار ماسح على عيب واحد في طبقة hBN وصل إلى 1 نانومتر، أي أفضل بعشر مرات من نظائره الألماسية. بجانب هذا العمل في الأرشيف توجد دراسات عن التشابك الكمي كهندسة، والسعة الحرارية ككاشف للتشابك عبر الزمن، وفوتونات متشابكة في الألياف البصرية، وكلها تتحرك في اتجاه البحث عن منصات عملية للتقنيات الكمومية. ومع ذلك، لم يكن من الممكن حتى الآن تشابك السبينات في hBN نفسه: البيئة النووية الكثيفة كانت تدمر تماسك السبين الإلكتروني خلال مئات النانوثواني.
تم إنشاء العيب السبيني بزرع أيونات الكربون-13 في بلورة hBN متبوعًا بمعالجة حرارية عالية الحرارة. كشفت خريطة التألق الضوئي البؤري عن باعث واحد، وأكد قياس ارتباط الفوتونات أنه منفرد (g(2)(0)=0.21). تبين أن العيب هو زوج من السبينات الإلكترونية مفصولة بعدة نانومترات؛ أحدهما مرتبط بقوة بالسبين النووي للكربون-13، مما سمح بعزل نظام فرعي من أربعة مستويات لكيوبيتين. تم التحكم في السبين الإلكتروني بنبضات ميكروويف على ترددات مفصولة بـ 290 ميغاهرتز، والسبين النووي بنبضات ترددات راديوية عند 141 و145 ميغاهرتز في مجال مغناطيسي قدره 73.5 ملي تسلا. لتمديد التماسك، طُبقت تسلسل كار-بارسيل-ميبوم-جيل (CPMG) مع عدد من نبضات إعادة التركيز π يصل إلى 1024. تم تحضير الحالات المتشابكة ببوابات غير محلية، ثم استُعيدت مصفوفة الكثافة بطريقة التصوير المقطعي الكمومي.
زاد تماسك السبين الإلكتروني من 141 نانوثانية (صدى هان) إلى 38±10 ميكروثانية مع 1024 نبضة إعادة تركيز، وهو رقم قياسي لـ hBN عند درجة حرارة الغرفة. يتبع اعتماد زمن التماسك على عدد النبضات قانون قوة بأس 0.77±0.09، مما يشير إلى هيمنة ضوضاء تتقلب ببطء. تم تحضير أربع حالات بيل شديدة التشابك بدقة تصل إلى 0.89 (لحالة Ψ+). تم استخدام السبين النووي كذاكرة كمومية في مطيافية الارتباط لمجال مغناطيسي متناوب: استمرت الإشارة حتى 1 ملي ثانية، وهو أبعد بكثير من زمن استرخاء السبين الإلكتروني (حوالي 130 ميكروثانية). أعطى تحليل فورييه للإشارة الممتدة دقة طيفية تبلغ 0.7±0.2 كيلوهرتز، أي أفضل بسبع مرات من دون الذاكرة.
يُظهر العمل لأول مرة تشابك كيوبتات السبين في مادة ثنائية الأبعاد عند درجة حرارة الغرفة، مما يضع hBN في مصاف الألماس وكربيد السيليكون كمنصة للتقنيات الكمومية. على عكس الدراسات المجاورة التي تركز على التفسير الهندسي للتشابك أو السعة الحرارية ككاشف له، هنا تم الحصول على التشابك واستخدامه عمليًا: السبين النووي يعمل كذاكرة طويلة العمر، والسبين الإلكتروني كواجهة بصرية سريعة. هذه هي المرة الأولى التي تعزز فيها ذاكرة كمومية على السبين النووي في hBN حساسية مستشعر مجال مغناطيسي متناوب، مما يؤكد ملاءمة المواد ثنائية الأبعاد للأجهزة الكمومية الهجينة.
الامتداد الطبيعي هو التوسع إلى عدة سبينات نووية لإنشاء سجل كمومي وتحقيق تشابك متعدد السبينات. زيادة عدد نبضات إعادة التركيز وتحسين التركيب النظائري لـ hBN قد يطيلان التماسك أكثر. تكامل هذه العيوب في بنى فان دير فالس غير المتجانسة سيسمح ببناء أجهزة استشعار كمومية بدقة ذرية لدراسة المغناطيسية ثنائية الأبعاد، والجهود الموارية، والتشابك متعدد الجسيمات في مواد جديدة.
ستؤثر النتيجة على الاستشعار الكمومي، والحوسبة الكمومية على الكيوبتات الصلبة، والشبكات الكمومية حيث تكون العقد السبينية المتوافقة مع الفوتونات مطلوبة. قد تجد أجهزة الاستشعار ثنائية الأبعاد القائمة على hBN تطبيقات في علم المواد لرسم خرائط المجالات المغناطيسية بدقة نانومترية.
التحقق من التشابك بين عدة سبينات نووية لعيب واحد وقياس عمر الحالات المتشابكة. دراسة عيوب ذات اقتران فائق الدقة أقوى لتسريع البوابات وزيادة الدقة.
بالنسبة للاستشعار الكمومي، يبقى السؤال مفتوحًا حول حد الحساسية عند درجة حرارة الغرفة: ضوضاء البيئة النووية تحد من التماسك، ويظهر العمل أن الفصل الديناميكي والذاكرة الكمومية يخففان هذه المشكلة لكن لا يزيلانها. كما تبقى مشكلة توسيع التشابك إلى عشرات الكيوبتات في المواد الصلبة دون فقدان الدقة غير محلولة.
هذا القسم موجَّه إلى مؤلف العمل وزملائه. الأعمال المجاورة عثر عليها بحثٌ دلالي في أرشيفنا، لا بتطابق الكلمات. نحن لا نقيّم العمل: نعرض الحقل من حوله.
ماذا يفعل هذا العمل
يُظهر هذا العمل التشابك الكمي بين السبين الإلكتروني والسبين النووي في نتريد البورون السداسي (hBN) عند درجة حرارة الغرفة. باستخدام زرع الكربون-13، أنشأ المؤلفون نظامًا من كيوبيتين، ومددوا زمن الترابط للسبين الإلكتروني إلى 38 ميكروثانية باستخدام بروتوكول CPMG، وحضّروا حالات بيل بدقة 0.89، وطبقوا السبين النووي كذاكرة للتحليل الطيفي الارتباطي بدقة 0.7 كيلوهرتز.
أين تكمن قوته
الترابط القياسي في hBN عند درجة حرارة الغرفة وإظهار التشابك مع الذاكرة النووية يفتحان الطريق أمام أجهزة استشعار كمية قابلة للتطوير تعتمد على المواد ثنائية الأبعاد.
إلى أين يمكن المضي
يستحق التجربة
لماذا قد يكون هذا مهمًا
تقرب هذه النتيجة أجهزة الاستشعار الكمية من التطبيق العملي في علم الأحياء وعلوم المواد بفضل السماكة الذرية لـ hBN والعمل عند درجة حرارة الغرفة.
أعمال قريبة في أرشيفنا
الأرشيف خالٍ حول هذا العمل: أقرب تحليل عند 0.56 فقط، مقابل 0.64 المعتادة. يبدو أن الحفر بجواره كان نادرًا.
زمن تماسك السبين الإلكتروني بعد الفصل الديناميكي (38 ميكروثانية) أكبر بـ 270 مرة من الزمن الأصلي (141 نانوثانية). إذا زادت سيارة مداها بنفس النسبة، لقطعت من 5 كيلومترات إلى 1350 كيلومترًا.
فكرة الذاكرة الكمومية على السبين النووي تذكرنا بمفهوم "الأنسيلا" من الخيال العلمي، وهو كائن كمومي مساعد يخزن المعلومات بينما يتفاعل الكيوبت الرئيسي مع البيئة. في رواية غريغ إيغان "الحجر الصحي"، تُستخدم الحالات الكمومية كمورد حسابي، وهنا يلعب السبين النووي دور مثل هذا "المخزن المؤقت" للمستشعر الإلكتروني.