Jaapani teadlased on välja töötanud tehnika üksikute elektrooniliste ja tuumakeerutuste käsitlemiseks teemantkristallides. Skeem ühendab optilisi ja mikrolaineprotsesse ning võib viia suuremahuliste süsteemide loomiseni kvantteabe salvestamiseks ja töötlemiseks.
Elektroonilised ja tuumaspinnid mõnes tahkiskristallis on paljulubavad platvormid suuremahuliste kvantarvutite ja -mälude jaoks. Need spinnid suhtlevad toatemperatuuril nõrgalt kohaliku keskkonnaga, mis tähendab, et nad võivad töötada kvantbittidena (kubitidena), mis salvestavad kvantteavet väga pikka aega. Lisaks saab selliseid keerutusi juhtida ilma oluliste kadudeta. Tavaliselt reageerivad spinnid nii optilisele valgusele kui ka mikrolainetele. Optiline valgus on lühemate lainepikkuste tõttu hea ruumilise täpsuse saavutamiseks üksikute spinnide käsitlemisel. Pikemad mikrolained seevastu tagavad kõigi kristalli keerutuste täpsema kontrolli ruumilise eraldusvõime puudumisega.
Nüüd, Hideo Kosaka ja kolleegid Yokohama riiklikust ülikoolist Jaapanis on välja töötanud viisi üksikute keerutuste käsitlemiseks, mis ühendab endas nii optilise kui ka mikrolaine juhtimise tugevused. Nad kasutasid mikrolaineid teemandi üksikute pöörlemiste juhtimiseks, valgustades neid optilise valguse abil. Nad demonstreerisid teabe töötlemise koha valikulisi toiminguid ja tekitasid teabe edastamiseks põimumise elektrooniliste ja tuumakeerutuste vahel.
Diamond NV keskused
Oma keerutuste jaoks kasutas meeskond teemantkristalli lämmastiku-vakantsi (NV) keskusi. Need tekivad siis, kui teemantvõre kaks naabersüsinikuaatomit asendatakse lämmastikuaatomi ja vaba kohaga. NV-keskuse põhiseisund on spin-1 elektrooniline süsteem, mida saab kasutada teabe kodeerimiseks kubitina.
Arvutamiseks peab olema võimalik kubittide pöörlemisolekut kontrollitult muuta. Ühe kubiidi jaoks piisab selleks neljast kardinaalsest operatsioonist koosnevast komplektist. Need on identiteedioperatsioon ja Pauli X, Y, Z väravad, mis pööravad olekut ümber Blochi sfääri kolme telje.
Universaalsed holoonväravad
Neid toiminguid saab teostada dünaamilise evolutsiooni abil, kus kahetasandilist süsteemi juhib resonantsil või selle lähedal olev väli koos üleminekuga kubiti "pööramiseks" soovitud olekusse. Teine võimalus on rakendada holonoomilist väravat, kus oleku faasi suuremal alusel muudetakse nii, et see avaldab kahetasandilises kubiti alamruumis soovitud värava mõju. Võrreldes dünaamilise evolutsiooniga peetakse seda meetodit dekoherentsimehhanismide suhtes robustsemaks, kuna omandatud faas ei sõltu suurema oleku täpsest arenguteest.
Selles viimases uuringus demonstreerivad Kosaka ja kolleegid esmalt oma tehnika kohaselektiivsust, fokuseerides laseri konkreetsesse NV-keskusesse. See muudab üleminekusagedust selles kohas nii, et ükski teine koht ei reageeri, kui kogu süsteemi juhivad õige sagedusega mikrolained. Seda tehnikat kasutades suutis meeskond valgustada mõnesaja nanomeetrise läbimõõduga piirkondi, mitte mikrolainetega valgustatud palju suuremaid alasid.
Sel viisil saite valides näitasid teadlased, et nad suudavad Pauli-X, Y ja Z holonoomiliste väravate toiminguid hea täpsusega (üle 90%) rakendada. Väravatruudus mõõdab, kui lähedal on rakendatud värava jõudlus ideaalsele väravale. Nad kasutavad mikrolaineimpulssi, mis pöörab oma faasi vahepeal, mis muudab protokollid võimsuse ebaühtluse suhtes vastupidavaks. Samuti näitavad need, et umbes 3 ms pikkune keerutamise koherentsusaeg säilib ka pärast võrreldavat aega kuluvaid väravatoiminguid.
Kvantmälud ja võrgud
Lisaks elektroonilistele spin-olekutele on NV-keskusel ka ligipääsetavad lämmastiku tuumaga seotud tuuma spin-olekud. Isegi toatemperatuuril on need seisundid keskkonnast eraldatuse tõttu äärmiselt pikaealised. Selle tulemusena saab NV-keskuse tuuma spin-olekuid kasutada kvantmäludena kvantteabe säilitamiseks pikka aega. See on erinevalt ülijuhtivatel vooluahelatel põhinevatest kubitidest, mille temperatuur peab olema alla millikelvini, et ületada soojusmüra ja mis on vastuvõtlikumad keskkonnaga suhtlemisest põhjustatud dekoherentsile.
Kõrge eraldusvõimega teemantsensor kaardistab südame elektrivoolud
Kosaka ja tema kolleegid suutsid NV keskuses tekitada ka põimumise elektroonilise spinni ja tuuma spinni vahel. See võimaldab kvantteabe edastamist intsidendilt footonilt NV-keskuse elektroonilisse spinni ja seejärel tuumaspinni kvantmällu. Selline võimalus on kriitilise tähtsusega hajutatud töötlemisel, kus footoneid saab kasutada teabe edastamiseks kvantvõrgu samades või erinevates süsteemides olevate kubitide vahel.
Sisestamine Looduse fotoonika, väidavad teadlased, et nende optilise adresseerimisprotsessi muutmisega peaks olema võimalik parandada selle ruumilist eraldusvõimet ja kasutada ka mitme NV-keskuse vahelisi sidusaid interaktsioone. Mõne erineva tehnika kombineerimine võib võimaldada "selektiivset juurdepääsu rohkem kui 10,000 10 kubitile 10 × 10 × XNUMX µm3 maht, sillutades teed suuremahulisele kvantsalvestusele”. Kosaka ütleb, et tema rühm töötab nüüd keerulise ülesande kallal, milleks on kahe kubitivärava valmistamine, kasutades kahte lähedalasuvat NV-keskust.
