Обережно розмістивши маленький кусочок алмазу всередині вуглецевої нанотрубки розміром декілька нанометрів та пропустивши електричний струм через нанотрубку, дослідники розробили пристрій який в майбутньому може стати будівельною цеглинкою систем квантових обчислень. В своєму останньому дослідженні вони показали що механічні вібрації нанотрубки, що виникають через протікання електричного струму впливають на магнітні (або спінові) властивості дефектів алмазу. Цей зв'язок дозволяє передавати квантовий стан нанотрубки та алмазу між собою, а також іншій алмазній частинці, розміщеній у декількох мікрометрах від них.

Дослідник, Пенг-бо та ін., опублікував статтю про новий гібридний квантовий пристрій в останньому випуску Physical Review Letters: Peng-Bo Li et al. "Hybrid Quantum Device with Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond Coupled to Carbon Nanotubes." Physical Review Letters

Алмазні частинки та вуглецеві нанотрубки є аллатропними формами вуглецю, кожна з власними унікальними властивостями, що робить можливим побудову такого пристрою. Алмаз має так звані дефекти типу азотно-вакансійного центру, які випромінюють високо когерентне яскраве червоне світло. Оптичні властивості дефекту можна легко контролювати так, що приймають один з двох різних станів, що дозволяє слугувати дефектам в якості кубітів. В свою чергу, карбонові нанотрубки відомі за власні сприятливі  механічні та електричні властивості.

Як алмазні частинки так і вуглецеві нанотрубки вже досить широко вивчаються кожна окремо, але рідко разом як інтегрований пристрій. Останнім часом відповідні дослідження показали, що азотно-вакансійні центри у алмазі можуть бути пов'язані з механічним резонатором, таким як наприклад кантилевер, що може коливатись, так що магнітні властивості (спін) алмазної частинки зв'язані з механічним рухом резонатора. Однак сила зв'язку в таких пристроях завжди була відносно слабкою.

Нова робота розширює цю ідею об'єднуючи азотно-вакансійний центр у алмазі з вуглецевою нанотрубкою, яку вводять до стану резонансу пропускаючи через неї електричний струм 60 мкА. Як пояснюють дослідники зв'язок між нанотрубкою та дефектом у алмазній частинці виникає тим самим шляхом як і магнітне поле що виникає навколо провідника зі струмом, але вже на квантовому рівні.

Як пояснює вчений фізик Лі, з RIKEN з Саітама Японія та Хи-ан Джиатонг Університету Китаю: "Цей пристрій відповідає квантовій версії класичного експерименту Ерстеда: провідник зі струмом створює навколо себе магнітне поле, за рахунок чого виникає сила що діє на магнітну стрілку."

Завдяки винятковим властивостям двох карбонових аллотропів, результуючий гібридний пристрій виявляє силу магнітного звязку, що амплітудно на три порядки вища за попередні схожі пристрої. Також, взаємодія між двома компонентами може бути контрольована зміною електричного струму через нано трубку

Висновки вчених також вказують на те, що квантові стани азотно-вакансійного центру та нанотрубки можуть передаватись один одному коли вони знаходяться у зв'язаному стані, а також азотно-вакансійному центру віддаленої алмазної частинки, якщо вона зв'язана з тією самою модою коливань нанотрубки. В майбутньому азотно-вакансійні центри можуть бути використані в якості кубітів, а здатність швидко та ефективно контролювати ці кубіти може сформувати основу систем квантових обчислень, а також використано для створення нанорозмірним сенсорів.

"Ці пристрої можна використовувати для механічного адресування логічних затворів на основі спіну електрону а також може слугувати новаторським нанорозмірним сенсором для визначення малих тисків, температури, електричного струму та змін магнітного поля у фізичних та біологічних дослідженням." стверджує Лі.

Також дослідники помітили, що пристрій поводить себе схожим чином до пристроїв що використовують квантову електродинаміку резонаторів (cavity quantum electrodynamics), що означає можливі подальші удосконалення з використанням результатів КЄД резонаторів до нових пристроїв (у 2012 році Serge Haroche та David Wineland отримали нобелівську премію за дослідження проблем контролю квантових систем).

За матеріалами сайту Phys.org