طور باحثون في اليابان تقنية لمعالجة الدورات الإلكترونية والنووية الفردية في بلورة الماس. يجمع المخطط بين العمليات الضوئية والميكروويف ويمكن أن يؤدي إلى إنشاء أنظمة واسعة النطاق لتخزين ومعالجة المعلومات الكمية.
الدورات الإلكترونية والنووية في بعض بلورات الحالة الصلبة هي منصات واعدة لأجهزة الكمبيوتر والذكريات الكمومية على نطاق واسع. تتفاعل هذه السبينات بشكل ضعيف مع بيئتها المحلية في درجة حرارة الغرفة ، مما يعني أنها يمكن أن تعمل مثل وحدات البت الكمومية (كيوبت) التي تخزن المعلومات الكمومية لفترات طويلة جدًا. علاوة على ذلك ، يمكن التحكم في هذه الدورات دون خسائر كبيرة. عادة ، تستجيب السبينات لكل من الضوء البصري وأفران الميكروويف. يعد الضوء البصري مفيدًا للدقة المكانية في معالجة الدورات الفردية بسبب أطوال موجاتها الأقصر. من ناحية أخرى ، توفر أفران الميكروويف الأطول تحكمًا عالي الدقة في جميع الدورات في البلورة على حساب عدم الدقة المكانية.
الآن، هيديو كوساكا طور وزملاؤه في جامعة يوكوهاما الوطنية في اليابان طريقة للتعامل مع السبينات الفردية التي تجمع بين قوة كل من التحكم البصري والميكروويف. لقد استخدموا الموجات الدقيقة للتحكم في الدورات الفردية للماس عن طريق "تسليط الضوء" عليها بدقة باستخدام الضوء البصري. لقد أظهروا عمليات انتقائية في الموقع لمعالجة المعلومات وولدوا تشابكًا بين الدورات الإلكترونية والنووية لنقل المعلومات.
مراكز Diamond NV
استخدم الفريق لدورانه مراكز النيتروجين - الشاغرة (NV) في بلورة ماسية. تحدث هذه عندما يتم استبدال ذرتين متجاورتين من الكربون في شبكة ماسية بذرة نيتروجين وموقع شاغر. الحالة الأساسية لمركز NV هي نظام إلكتروني تدور 1 يمكن استخدامه ككيوبت لتشفير المعلومات.
لإجراء الحساب ، يحتاج المرء إلى أن يكون قادرًا على تغيير حالة الدوران للكيوبتات بطريقة مضبوطة. بالنسبة إلى كيوبت واحد ، يكفي أن يكون لديك مجموعة من أربع عمليات أساسية للقيام بذلك. هذه هي عملية الهوية وبوابات Pauli X و Y و Z التي تدور الحالة حول المحاور الثلاثة لمجال بلوخ.
بوابات عالمية شاملة
يمكن تنفيذ هذه العمليات باستخدام التطور الديناميكي ، حيث يتم تشغيل نظام من مستويين بواسطة حقل عند الرنين أو بالقرب منه مع الانتقال إلى "تدوير" الكيوبت إلى الحالة المرغوبة. هناك طريقة أخرى وهي تنفيذ بوابة شاملة ، حيث يتم تغيير مرحلة الحالة في أساس أكبر بحيث يكون لها تأثير البوابة المرغوبة على الفضاء الفرعي للكيوبت ذي المستويين. بالمقارنة مع التطور الديناميكي ، تعتبر هذه الطريقة أكثر قوة لآليات فك الترابط لأن المرحلة المكتسبة لا تعتمد على مسار التطور الدقيق للحالة الأكبر.
في هذا البحث الأخير ، أظهر Kosaka وزملاؤه أولاً انتقائية الموقع لتقنيتهم من خلال تركيز الليزر في مركز NV معين. يؤدي هذا إلى تغيير تردد الانتقال في هذا الموقع بحيث لا يستجيب أي موقع آخر عندما يتم تشغيل النظام بأكمله بواسطة الموجات الدقيقة على التردد الصحيح. باستخدام هذه التقنية ، تمكن الفريق من تسليط الضوء على مناطق يبلغ عرضها بضع مئات من النانومتر ، بدلاً من المناطق الأكبر التي تضيء بواسطة الموجات الدقيقة.
من خلال اختيار المواقع بهذه الطريقة ، أظهر الباحثون أنه يمكنهم تنفيذ عمليات البوابة الشاملة Pauli-X و Y و Z بدقة جيدة (أكثر من 90٪). دقة البوابة هي مقياس لمدى قرب أداء البوابة المنفذة من البوابة المثالية. يستخدمون نبضة ميكروويف تقلب مرحلتها فيما بينها مما يجعل البروتوكولات قوية لعدم انتظام الطاقة. كما يوضحون أيضًا أنه يتم الحفاظ على وقت تماسك الدوران البالغ حوالي 3 مللي ثانية حتى بعد عمليات البوابة التي تستغرق وقتًا مشابهًا.
ذكريات وشبكات الكم
بالإضافة إلى حالات الدوران الإلكترونية ، يحتوي مركز NV أيضًا على حالات دوران نووي يمكن الوصول إليها مرتبطة بنواة النيتروجين. حتى في درجة حرارة الغرفة ، فإن هذه الحالات تعيش لفترة طويلة جدًا بسبب عزلتها عن البيئة. نتيجة لذلك ، يمكن استخدام حالات الدوران النووي لمركز NV كذاكرة كمومية لتخزين المعلومات الكمومية لفترات طويلة. هذا على عكس الكيوبتات التي تعتمد على الدوائر فائقة التوصيل ، والتي يجب أن تكون في درجات حرارة أقل من ملي كلفن للتغلب على الضوضاء الحرارية وتكون أكثر عرضة لفك الترابط الناجم عن التفاعلات مع البيئة.
يقوم مستشعر الماس عالي الدقة بتعيين التيارات الكهربائية في القلب
كان كوساكا وزملاؤه قادرين أيضًا على إحداث تشابك بين دوران إلكتروني ودوران نووي في مركز NV. يتيح ذلك نقل المعلومات الكمومية من الفوتون الساقط إلى الدوران الإلكتروني لمركز NV ثم إلى الذاكرة الكمومية المغزلية النووية. هذه القدرة ضرورية للمعالجة الموزعة حيث يمكن استخدام الفوتونات لنقل المعلومات بين كيوبتات في نفس الأنظمة أو أنظمة مختلفة في شبكة كمومية.
الكتابة في طبيعة الضوئياتيقول الباحثون أنه مع إجراء تعديلات على عملية العنونة الضوئية الخاصة بهم ، يجب أن يكون من الممكن تحسين الدقة المكانية وأيضًا الاستفادة من التفاعلات المتماسكة بين مراكز NV المتعددة. يمكن أن يؤدي الجمع بين بعض التقنيات المختلفة إلى تمكين "الوصول الانتقائي إلى أكثر من 10,000 كيوبت في 10 × 10 × 10 ميكرومتر3 الحجم ، مما يمهد الطريق للتخزين الكمي على نطاق واسع ". يقول كوساكا إن مجموعته تعمل الآن على المهمة الصعبة المتمثلة في إنشاء بوابتين كيوبت باستخدام مركزين قريبين من NV.
