Forscher in Japan haben eine Technik entwickelt, um einzelne Elektronen- und Kernspins in einem Diamantkristall zu adressieren. Das Schema kombiniert optische und Mikrowellenprozesse und könnte zur Schaffung von Großsystemen für die Speicherung und Verarbeitung von Quanteninformationen führen.
Elektronische Spins und Kernspins in einigen Festkörperkristallen sind vielversprechende Plattformen für große Quantencomputer und Speicher. Diese Spins interagieren bei Raumtemperatur schwach mit ihrer lokalen Umgebung, was bedeutet, dass sie als Quantenbits (Qubits) fungieren können, die Quanteninformationen sehr lange speichern. Darüber hinaus können solche Spins ohne nennenswerte Verluste kontrolliert werden. Typischerweise reagieren die Spins sowohl auf optisches Licht als auch auf Mikrowellen. Optisches Licht ist wegen seiner kürzeren Wellenlängen gut für die räumliche Präzision bei der Adressierung einzelner Spins. Andererseits bieten die längeren Mikrowellen eine genauere Steuerung aller Spins in einem Kristall auf Kosten der fehlenden räumlichen Auflösung.
Jetzt, Hideo Kosaka und Kollegen von der Yokohama National University in Japan haben einen Weg entwickelt, um einzelne Spins zu adressieren, der die Stärken sowohl der optischen als auch der Mikrowellensteuerung kombiniert. Sie verwendeten Mikrowellen, um einzelne Spins in Diamanten zu steuern, indem sie sie mit optischem Licht präzise „anstrahlten“. Sie demonstrierten ortsselektive Operationen für die Informationsverarbeitung und erzeugten eine Verschränkung zwischen elektronischen und Kernspins für die Informationsübertragung.
Diamond NV-Zentren
Für seine Spins verwendete das Team Stickstoff-Fehlstellen (NV)-Zentren in einem Diamantkristall. Diese treten auf, wenn zwei benachbarte Kohlenstoffatome in einem Diamantgitter durch ein Stickstoffatom und eine freie Stelle ersetzt werden. Der Grundzustand eines NV-Zentrums ist ein elektronisches Spin-1-System, das als Qubit zur Codierung von Informationen verwendet werden kann.
Um Berechnungen durchzuführen, muss man in der Lage sein, den Spin-Zustand der Qubits auf kontrollierte Weise zu ändern. Für ein einzelnes Qubit reicht dazu ein Satz von vier Kardinaloperationen aus. Dies sind die Identitätsoperation und die Pauli-Gatter X, Y, Z, die den Zustand um die drei Achsen der Bloch-Kugel drehen.
Universelle holonomische Tore
Diese Operationen können mithilfe der dynamischen Evolution implementiert werden, bei der ein Zwei-Ebenen-System von einem Feld bei oder nahe der Resonanz mit dem Übergang angetrieben wird, um das Qubit in den gewünschten Zustand zu „drehen“. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein holonomisches Gatter zu implementieren, bei dem die Phase eines Zustands auf einer größeren Basis so geändert wird, dass es die Wirkung des gewünschten Gatters auf den zweistufigen Qubit-Unterraum hat. Im Vergleich zur dynamischen Evolution gilt diese Methode als robuster gegenüber Dekohärenzmechanismen, da die erfasste Phase nicht vom genauen Evolutionspfad des größeren Zustands abhängt.
In dieser neuesten Forschung demonstrieren Kosaka und Kollegen zunächst die Ortsselektivität ihrer Technik, indem sie einen Laser auf ein bestimmtes NV-Zentrum fokussieren. Dadurch wird die Übergangsfrequenz an dieser Stelle so geändert, dass keine andere Stelle reagiert, wenn das gesamte System von Mikrowellen mit der richtigen Frequenz angesteuert wird. Mit dieser Technik war das Team in der Lage, Bereiche mit einem Durchmesser von einigen hundert Nanometern zu beleuchten, anstatt die viel größeren Bereiche, die von den Mikrowellen beleuchtet wurden.
Durch die Auswahl von Standorten auf diese Weise zeigten die Forscher, dass sie die Pauli-X-, Y- und Z-holonomen Gate-Operationen mit guter Genauigkeit (mehr als 90 %) implementieren konnten. Die Gattertreue ist ein Maß dafür, wie nahe die Leistung des implementierten Gatters einem idealen Gatter ist. Sie verwenden einen Mikrowellenimpuls, der seine Phase dazwischen umkehrt, was die Protokolle robust gegenüber Leistungsungleichmäßigkeiten macht. Sie zeigen auch, dass eine Spin-Kohärenzzeit von etwa 3 ms selbst nach Gate-Operationen, die eine vergleichbare Zeit in Anspruch nehmen, aufrechterhalten wird.
Quantenspeicher und Netzwerke
Zusätzlich zu den elektronischen Spinzuständen hat ein NV-Zentrum auch zugängliche Kernspinzustände, die mit dem Stickstoffkern verbunden sind. Selbst bei Raumtemperatur sind diese Zustände aufgrund ihrer Isolation von der Umgebung extrem langlebig. Als Ergebnis können die Kernspinzustände des NV-Zentrums als Quantenspeicher zum Speichern von Quanteninformationen für lange Zeit verwendet werden. Dies ist anders als bei Qubits, die auf supraleitenden Schaltkreisen basieren, die Temperaturen im Sub-Millikelvin-Bereich benötigen, um thermisches Rauschen zu überwinden, und die anfälliger für Dekohärenz sind, die durch Wechselwirkungen mit der Umgebung verursacht wird.
Hochauflösender Diamantsensor bildet elektrische Ströme im Herzen ab
Kosaka und Kollegen konnten auch eine Verschränkung zwischen einem elektronischen Spin und einem Kernspin im NV-Zentrum erzeugen. Dies ermöglicht die Übertragung von Quanteninformationen von einem einfallenden Photon zum elektronischen Spin des NV-Zentrums und dann weiter zum Kernspin-Quantenspeicher. Eine solche Fähigkeit ist entscheidend für die verteilte Verarbeitung, bei der die Photonen verwendet werden können, um Informationen zwischen Qubits in demselben oder verschiedenen Systemen in einem Quantennetzwerk zu übertragen.
Schreiben in Nature Photonics, sagen die Forscher, dass es mit Modifikationen ihres optischen Adressierungsprozesses möglich sein sollte, die räumliche Auflösung zu verbessern und auch kohärente Wechselwirkungen zwischen mehreren NV-Zentren zu nutzen. Die Kombination einiger verschiedener Techniken könnte „den selektiven Zugriff auf mehr als 10,000 Qubits in einem 10 × 10 × 10 µm ermöglichen3 Volumen und ebnet den Weg zu groß angelegten Quantenspeichern“. Kosaka sagt, dass seine Gruppe jetzt an der herausfordernden Aufgabe arbeitet, zwei Qubit-Gatter unter Verwendung von zwei nahe gelegenen NV-Zentren herzustellen.
