Investigadores japoneses han desarrollado una técnica para abordar espines electrónicos y nucleares individuales en un cristal de diamante. El esquema combina procesos ópticos y de microondas y podría conducir a la creación de sistemas a gran escala para el almacenamiento y procesamiento de información cuántica.
Los giros electrónicos y nucleares en algunos cristales de estado sólido son plataformas prometedoras para computadoras y memorias cuánticas a gran escala. Estos giros interactúan débilmente con su entorno local a temperatura ambiente, lo que significa que pueden operar como bits cuánticos (qubits) que almacenan información cuántica durante mucho tiempo. Además, dichos giros pueden controlarse sin pérdidas significativas. Por lo general, los espines responden tanto a la luz óptica como a las microondas. La luz óptica es buena para la precisión espacial al abordar giros individuales debido a sus longitudes de onda más cortas. Las microondas más largas, por otro lado, proporcionan un control de mayor fidelidad de todos los giros en un cristal a costa de no tener resolución espacial.
Ahora, Hideo Kosaka y sus colegas de la Universidad Nacional de Yokohama en Japón han desarrollado una forma de abordar los giros individuales que combina las fortalezas del control óptico y de microondas. Usaron microondas para controlar los giros individuales en el diamante al “destacarlos” con precisión usando luz óptica. Demostraron operaciones selectivas de sitio para el procesamiento de información y generaron entrelazamiento entre giros electrónicos y nucleares para la transferencia de información.
Centros NV de diamante
Para sus giros, el equipo utilizó centros de vacantes de nitrógeno (NV) en un cristal de diamante. Estos ocurren cuando dos átomos de carbono vecinos en una red de diamante se reemplazan con un átomo de nitrógeno y un sitio vacante. El estado fundamental de un centro NV es un sistema electrónico spin-1 que se puede usar como un qubit para codificar información.
Para realizar el cálculo, uno debe poder cambiar el estado de giro de los qubits de manera controlada. Para un solo qubit, basta con tener un conjunto de cuatro operaciones cardinales para hacer esto. Estas son la operación de identidad y las puertas Pauli X, Y, Z, que rotan el estado alrededor de los tres ejes de la esfera de Bloch.
Puertas holonómicas universales
Estas operaciones se pueden implementar mediante el uso de la evolución dinámica, donde un sistema de dos niveles es impulsado por un campo en resonancia o cerca de ella con la transición para "rotar" el qubit al estado deseado. Otra forma es implementar una puerta holonómica, donde la fase de un estado en una base más grande se cambia para que tenga el efecto de la puerta deseada en el subespacio qubit de dos niveles. En comparación con la evolución dinámica, este método se considera más resistente a los mecanismos de decoherencia porque la fase adquirida no depende de la ruta de evolución exacta del estado más grande.
En esta última investigación, Kosaka y sus colegas primero demuestran la selectividad del sitio de su técnica enfocando un láser en un centro NV específico. Esto cambia la frecuencia de transición en ese sitio de modo que ningún otro sitio responda cuando todo el sistema es impulsado por microondas a la frecuencia correcta. Usando esta técnica, el equipo pudo resaltar regiones de unos pocos cientos de nanómetros de ancho, en lugar de las áreas mucho más grandes iluminadas por las microondas.
Al seleccionar sitios de esta manera, los investigadores demostraron que podían implementar las operaciones de puerta holonómica Pauli-X, Y y Z con buena fidelidad (más del 90%). La fidelidad de la puerta es una medida de qué tan cerca está el rendimiento de la puerta implementada de una puerta ideal. Utilizan un pulso de microondas que cambia de fase entre ellas, lo que hace que los protocolos sean resistentes a las faltas de uniformidad en el poder. También muestran que se mantiene un tiempo de coherencia de espín de aproximadamente 3 ms incluso después de operaciones de puerta que toman un tiempo comparable.
Memorias y redes cuánticas
Además de los estados de espín electrónico, un centro NV también tiene estados de espín nuclear accesibles asociados con el núcleo de nitrógeno. Incluso a temperatura ambiente, estos estados son extremadamente duraderos debido a su aislamiento del medio ambiente. Como resultado, los estados de espín nuclear del centro NV se pueden utilizar como memorias cuánticas para el almacenamiento de información cuántica durante mucho tiempo. Esto es diferente a los qubits basados en circuitos superconductores, que deben estar a temperaturas inferiores a mikelvin para superar el ruido térmico y son más susceptibles a la decoherencia causada por las interacciones con el medio ambiente.
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Kosaka y sus colegas también pudieron generar un entrelazamiento entre un espín electrónico y un espín nuclear en el centro NV. Esto permite la transferencia de información cuántica de un fotón incidente al espín electrónico del centro NV y luego a la memoria cuántica de espín nuclear. Tal capacidad es crítica para el procesamiento distribuido donde los fotones pueden usarse para transferir información entre qubits en el mismo o diferentes sistemas en una red cuántica.
Escribiendo en Nature Photonics, los investigadores afirman que con modificaciones en su proceso de direccionamiento óptico, debería ser posible mejorar su resolución espacial y también hacer uso de interacciones coherentes entre múltiples centros NV. La combinación de algunas técnicas diferentes podría permitir "el acceso selectivo a más de 10,000 qubits en un tamaño de 10 × 10 × 10 µm".3 volumen, allanando el camino hacia el almacenamiento cuántico a gran escala”. Kosaka dice que su grupo ahora está trabajando en la desafiante tarea de hacer dos puertas qubit utilizando dos centros NV cercanos.
