Az ELKH Wigner Fizikai Kutatóközpontban (Wigner FK) Gali Ádám vezetésével működő Lendület Félvezető Nanoszerkezetek Kutatócsoport szakemberei legújabb kutatásukban az atomi szélességű volfrám-diszulfidba ágyazott szénatom kvantumbitként való használhatóságát vizsgálták. A Nature Communications című rangos nemzetközi folyóiratban publikált eredmények alapján ez a semleges töltésű foszforeszkáló szénhiba kvantumbitként hasznosítható. A kutatócsoport munkája hozzájárul ahhoz, hogy több kvantumbites logikai műveletek és kvantuminformatikai rendszerek valósulhassanak meg kétdimenziós anyagokban előállított ponthibákkal.

A kvantumtechnológia azon eljárások és eszközök gyűjtőneve, amelyekkel a kvantummechanika alapvető jelenségeit az informatika, a kommunikáció és a méréstechnika szolgálatába állítva a klasszikus megoldásokhoz képest pontosabb vagy gyorsabb eredmények érhetők el. E kvantumrendszerek alapvető építőkövei a kvantumbitnek vagy qubitnek nevezett kétállapotú rendszerek. A kutatók többféle kvantumrendszer kvantumbitként történő alkalmazásának lehetőségét vetették már fel, és ezek közül a félvezetőbe ágyazott ponthibák tűntek a legígéretesebbnek a szobahőmérsékleten való működés szempontjából.

A kétdimenziós volfrám-diszulfidba ágyazott szénatom, amely lézergerjesztés segítségével kvantumbitként használható

A ponthibák a kristályokban gyakran előforduló molekulaszerű képződmények, amelyek a kristálynövekedés során vagy utólag, például ionbesugárzás révén jöhetnek létre. Az ilyen működésnek azonban szigorú követelményei vannak, ezért nem minden ponthiba vagy gazdakristály alkalmas kvantumbitek fizikai megvalósítására.

A hatékony kvantumbitek megalkotása szempontjából kulcsfontosságú, hogy a kutatók olyan rendszereket találjanak, amelyeknek a kvantumállapotait jól tudják inicializálni, manipulálni és kiolvasni. Ehhez nemcsak a ponthibák atomi szintű kísérleti megismerésére és szerkezetük előállítására van szükség, hanem elektronszerkezetük és magnetooptikai tulajdonságaik részletes feltérképezésére is. A szilárdtestbe ágyazott ponthibák atomi szintű szimulációjának közelmúltbeli fejlődése a kutatók számára lehetővé teszi, hogy számításokkal pontosan leírják ezeket a tulajdonságokat, továbbá hogy egy adott célra új kvantumbit-típusok alkalmazhatóságát jósolják meg.

A Wigner FK tudományos tanácsadója, Gali Ádám kutatócsoportjának legújabb tanulmányában a kutatók az atomi vastagságú volfrám-diszulfidban előforduló szénszubsztitúciós hibák atomi pontosságú előállítása terén elért legfrissebb eredményekre alapozva szisztematikusan vizsgálták a semleges töltésű szénhiba kvantumbitként való használhatóságát. Sűrűségfunkcionálelmélet-alapú számítással azt találták, hogy az anyagra jellemző óriási spin-pálya kölcsönhatás a gerjesztett állapotokat egymással keveri, aminek köszönhetően telekommunikációs hullámhosszon foszforeszkál, koherens fényt kibocsátva e kétdimenziós anyagban. A kutatók eredményei alapján ez a foszforeszkáló hiba kvantumbitként hasznosítható, amihez megadták a megfelelő kvantumoptikai eljárást, és ezzel megalapozták a skálázható kvantumbitek kvantumprotokollját is, mégpedig telekommunikációs hullámhosszú spin-foton interfésszel együtt. A hagyományos háromdimenziós anyagokkal összehasonlítva a kétdimenziós anyagok lehetővé teszik a ponthibák könnyű manipulációját, és más architektúrákba is integrálhatók. A kutatócsoport munkája hozzájárul ahhoz, hogy több kvantumbites logikai műveleteket és kvantuminformatikai rendszereket valósítsanak meg kétdimenziós anyagokban előállított ponthibákkal.

Publikációk:

Carbon defect qubit in two-dimensional WS2, Song Li, Gergő Thiering, Péter Udvarhelyi, Viktor Ivády and Adam Gali, Nature Communications 13, 1210 (2022).

Spin-dependent vibronic response of a carbon radical ion in two-dimensional WS2, Katherine A. Cochrane, Jun-Ho Lee, Christoph Kastl, Jonah B. Haber, Tianyi Zhang, Azimkhan Kozhakhmetov, Joshua A. Robinson, Mauricio Terrones, Jascha Repp, Jeffrey B. Neaton, Alexander Weber-Bargioni, and Bruno Schuler, Nature Communications 12, 7287 (2021).