En teknik til at adressere individuelle elektroniske og nukleare spins i en diamantkrystal er blevet udviklet af forskere i Japan. Ordningen kombinerer optiske og mikrobølgeprocesser og kan føre til skabelsen af store systemer til lagring og behandling af kvanteinformation.
Elektroniske og nukleare spins i nogle solid-state krystaller er lovende platforme for storskala kvantecomputere og minder. Disse spins interagerer svagt med deres lokale miljø ved stuetemperatur, hvilket betyder, at de kan fungere som kvantebits (qubits), der lagrer kvanteinformation i meget lang tid. Desuden kan sådanne spins kontrolleres uden væsentlige tab. Typisk reagerer spinsene på både optisk lys og mikrobølger. Optisk lys er godt til rumlig præcision ved adressering af individuelle spins på grund af dets kortere bølgelængder. De længere mikrobølger giver på den anden side en højere fidelity kontrol af alle spins i en krystal på bekostning af ingen rumlig opløsning.
Nu Hideo Kosaka og kolleger ved Yokohama National University i Japan har udviklet en måde at håndtere individuelle spins på, der kombinerer styrkerne ved både optisk og mikrobølgestyring. De brugte mikrobølger til at styre individuelle spins i diamant ved netop at "spotlighte" dem ved hjælp af optisk lys. De demonstrerede stedselektive operationer til informationsbehandling og genererede sammenfiltring mellem elektroniske og nukleare spins til informationsoverførsel.
Diamond NV center
Til sine spins brugte holdet nitrogen-vacancy-centre (NV) i en diamantkrystal. Disse opstår, når to nabocarbonatomer i et diamantgitter erstattes med et nitrogenatom og et ledigt sted. Grundtilstanden for et NV-center er et spin-1 elektronisk system, der kan bruges som en qubit til at kode information.
For at udføre beregning skal man være i stand til at ændre spin-tilstanden af qubits på en kontrolleret måde. For en enkelt qubit er det tilstrækkeligt at have et sæt af fire kardinaloperationer for at gøre dette. Disse er identitetsoperationen og Pauli X-, Y-, Z-portene, som roterer staten om Bloch-sfærens tre akser.
Universal holonomiske porte
Disse operationer kan implementeres ved at bruge dynamisk evolution, hvor et to-niveau system drives af et felt ved eller nær resonans med overgangen til at "rotere" qubit til den ønskede tilstand. En anden måde er at implementere en holonomisk gate, hvor fasen af en tilstand i en større basis ændres, så den har effekten af den ønskede gate på to-niveau qubit underrummet. Sammenlignet med dynamisk evolution anses denne metode for at være mere robust over for dekohærensmekanismer, fordi den erhvervede fase ikke afhænger af den nøjagtige udviklingsvej for den større stat.
I denne seneste forskning demonstrerer Kosaka og kolleger først site-selektiviteten af deres teknik ved at fokusere en laser på et specifikt NV-center. Dette ændrer overgangsfrekvensen på det pågældende sted, således at intet andet sted reagerer, når hele systemet drives af mikrobølger med den rigtige frekvens. Ved at bruge denne teknik var holdet i stand til at sætte fokus på regioner på et par hundrede nanometer på tværs i stedet for de meget større områder, der blev oplyst af mikrobølgerne.
Ved at vælge steder på denne måde viste forskerne, at de kunne implementere Pauli-X, Y og Z holonomiske gate-operationer med god troskab (større end 90%). Gate-fidelity er et mål for, hvor tæt ydeevnen af den implementerede gate er på en ideel gate. De bruger en mikrobølgeimpuls, der vender sin fase imellem, hvilket gør protokollerne robuste over for uensartethed i kraft. De viser også, at en spinkohærenstid på omkring 3 ms opretholdes selv efter gate-operationer, der tager en sammenlignelig tid.
Kvantehukommelser og netværk
Udover de elektroniske spin-tilstande har et NV-center også tilgængelige nukleare spin-tilstande forbundet med nitrogenkernen. Selv ved stuetemperatur er disse tilstande ekstremt lange på grund af deres isolation fra miljøet. Som et resultat kan NV-centerets nukleare spintilstande bruges som kvantehukommelser til lagring af kvanteinformation i lange tider. Dette er i modsætning til qubits baseret på superledende kredsløb, som skal være ved sub millikelvin temperaturer for at overvinde termisk støj og er mere modtagelige for dekohærens forårsaget af interaktioner med miljøet.
Diamantsensor med høj opløsning kortlægger elektriske strømme i hjertet
Kosaka og kolleger var også i stand til at skabe sammenfiltring mellem et elektronisk spin og et nuklear spin i NV-centret. Dette muliggør overførsel af kvanteinformation fra en indfaldende foton til NV-centrets elektroniske spin og derefter videre til den nukleare spin-kvantehukommelse. En sådan evne er kritisk for distribueret behandling, hvor fotonerne kan bruges til at overføre information mellem qubits i samme eller forskellige systemer i et kvantenetværk.
Skrivning i Nature Photonics, siger forskerne, at med ændringer af deres optiske adresseringsproces burde det være muligt at forbedre dens rumlige opløsning og også gøre brug af sammenhængende interaktioner mellem flere NV-centre. Kombination af et par forskellige teknikker kunne muliggøre "selektiv adgang til mere end 10,000 qubits i en 10×10×10 µm3 volumen, hvilket baner vejen for storstilet kvantelagring”. Kosaka siger, at hans gruppe nu arbejder på den udfordrende opgave at lave to qubit-gates ved hjælp af to nærliggende NV-centre.
