Квантовая запутанность — ресурс для вычислений, защищённой связи и сверхточных измерений. В твёрдом теле её обычно получают в алмазе или карбиде кремния, но двумерные материалы дают квантовым сенсорам беспрецедентное пространственное разрешение: сканирующий зонд на одном дефекте в слое hBN достиг 1 нанометра, на порядок лучше алмазных аналогов. Рядом с этой работой в архиве лежат исследования квантовой запутанности как геометрии, теплоёмкости как детектора запутанности во времени и запутанных фотонов в оптоволокне — все они движутся в русле поиска практичных платформ для квантовых технологий. Однако запутать спины в самом hBN до сих пор не удавалось: плотное ядерное окружение разрушало когерентность электронного спина за сотни наносекунд.
Спиновый дефект создали имплантацией ионов углерода-13 в кристалл hBN с последующим высокотемпературным отжигом. Конфокальная карта фотолюминесценции выявила одиночный излучатель, а измерение корреляции фотонов подтвердило его одиночность (g(2)(0)=0,21). Дефект оказался парой электронных спинов, разделённых несколькими нанометрами; один из них сильно связан с ядерным спином углерода-13, что позволило выделить четырёхуровневую двухкубитную подсистему. Электронным спином управляли микроволновыми импульсами на частотах, разделённых 290 МГц, ядерным — радиочастотными импульсами на 141 и 145 МГц в магнитном поле 73,5 мТ. Для продления когерентности применили последовательность Карра–Парселла–Мейбума–Гилла (CPMG) с числом перефокусирующих π-импульсов до 1024. Запутанные состояния готовили нелокальными вентилями, а затем восстанавливали матрицу плотности методом квантовой томографии.
Когерентность электронного спина выросла со 141 нс (эхо Хана) до 38±10 мкс при 1024 перефокусирующих импульсах — это рекорд для hBN при комнатной температуре. Зависимость времени когерентности от числа импульсов подчиняется степенному закону с показателем 0,77±0,09, что указывает на доминирование медленно флуктуирующего шума. Четыре максимально запутанных состояния Белла приготовили с точностью до 0,89 (для состояния Ψ+). Ядерный спин использовали как квантовую память в корреляционной спектроскопии переменного магнитного поля: сигнал сохранялся до 1 мс, что далеко за пределом времени релаксации электронного спина (около 130 мкс). Фурье-анализ продлённого сигнала дал спектральное разрешение 0,7±0,2 кГц — в семь раз лучше, чем без памяти.
Работа впервые демонстрирует запутанность спиновых кубитов в двумерном материале при комнатной температуре, что ставит hBN в один ряд с алмазом и карбидом кремния как платформу для квантовых технологий. В отличие от соседних исследований, посвящённых геометрической интерпретации запутанности или теплоёмкости как её детектора, здесь запутанность получена и использована практически: ядерный спин служит долгоживущей памятью, а электронный — быстрым оптическим интерфейсом. Это первый случай, когда квантовая память на ядерном спине в hBN усилила чувствительность сенсора переменного магнитного поля, подтверждая пригодность двумерных материалов для гибридных квантовых устройств.
Естественное продолжение — масштабирование на несколько ядерных спинов для создания квантового регистра и реализации многоспиновой запутанности. Увеличение числа перефокусирующих импульсов и оптимизация изотопного состава hBN могут ещё продлить когерентность. Интеграция таких дефектов в ван-дер-ваальсовы гетероструктуры позволит строить квантовые сенсоры с атомным разрешением для исследования двумерного магнетизма, муаровых потенциалов и многочастичной запутанности в новых материалах.
Результат повлияет на квантовую сенсорику, квантовые вычисления на твёрдотельных кубитах и квантовые сети, где нужны совместимые с фотонами спиновые узлы. Двумерные сенсоры на основе hBN могут найти применение в материаловедении для картирования магнитных полей с нанометровым разрешением.
Проверить запутанность между несколькими ядерными спинами одного дефекта и измерить время жизни запутанных состояний. Исследовать дефекты с более сильной сверхтонкой связью для ускорения вентилей и повышения точности.
Для квантовой сенсорики остаётся открытым вопрос о пределе чувствительности при комнатной температуре: шум ядерного окружения ограничивает когерентность, и работа показывает, что динамическая развязка и квантовая память смягчают, но не устраняют эту проблему. Также нерешённой остаётся задача масштабирования запутанности на десятки кубитов в твёрдом теле без потери точности.
Этот раздел адресован автору работы и его коллегам. Соседние работы нашёл смысловой поиск по нашему архиву — не по совпадению слов, а по смыслу. Мы не рецензируем: мы показываем поле вокруг.
Что сделано в работе
Работа демонстрирует квантовую запутанность между электронным и ядерным спинами в hBN при комнатной температуре. Используя имплантацию углерода-13, авторы создали двухкубитную систему, продлили когерентность электронного спина до 38 мкс с помощью CPMG, приготовили состояния Белла с точностью 0,89 и применили ядерный спин как память для корреляционной спектроскопии с разрешением 0,7 кГц.
В чём сила
Рекордная когерентность в hBN при комнатной температуре и демонстрация запутанности с ядерной памятью открывают путь к масштабируемым квантовым сенсорам на двумерных материалах.
Куда можно двигаться
Что можно попробовать
Почему это может быть важно
Этот результат приближает квантовые сенсоры к практическому применению в биологии и материаловедении благодаря атомарной толщине hBN и работе при комнатной температуре.
Работы рядом в нашем архиве
Вокруг этой работы в архиве пусто: ближайший разбор всего на 0.56, при обычных 0.64. Похоже, рядом почти не бурили.
Время когерентности электронного спина после динамической развязки (38 мкс) в 270 раз больше исходного (141 нс). Если бы автомобиль так же увеличивал запас хода, то с 5 км он проехал бы 1350 км.
Идея квантовой памяти на ядерном спине перекликается с концепцией «анциллы» из научной фантастики — вспомогательного квантового объекта, который хранит информацию, пока основной кубит взаимодействует с окружением. В романе Грега Игана «Карантин» квантовые состояния используются как вычислительный ресурс, а здесь ядерный спин играет роль такого «буфера» для электронного сенсора.