روشی برای پرداختن به چرخش های الکترونیکی و هسته ای منفرد در یک کریستال الماس توسط محققان ژاپنی ایجاد شده است. این طرح فرآیندهای نوری و مایکروویو را ترکیب می‌کند و می‌تواند به ایجاد سیستم‌هایی در مقیاس بزرگ برای ذخیره‌سازی و پردازش اطلاعات کوانتومی منجر شود.
چرخش های الکترونیکی و هسته ای در برخی از کریستال های حالت جامد، پلتفرم های امیدوارکننده ای برای کامپیوترهای کوانتومی و حافظه های بزرگ مقیاس هستند. این اسپین ها در دمای اتاق با محیط محلی خود برهمکنش ضعیفی دارند، به این معنی که می توانند به عنوان بیت کوانتومی (کیوبیت) عمل کنند که اطلاعات کوانتومی را برای زمان های بسیار طولانی ذخیره می کند. علاوه بر این، چنین چرخشی را می توان بدون تلفات قابل توجه کنترل کرد. به طور معمول، اسپین ها هم به نور نوری و هم به امواج مایکروویو پاسخ می دهند. نور نوری به دلیل طول موج های کوتاه تر، برای دقت فضایی در پرداختن به اسپین های فردی خوب است. از سوی دیگر، مایکروویوهای طولانی‌تر، کنترل با وفاداری بالاتری را برای تمام چرخش‌های یک کریستال به قیمت عدم تفکیک مکانی فراهم می‌کنند.
اکنون، هیدئو کوساکا و همکارانش در دانشگاه ملی یوکوهاما در ژاپن راهی برای پرداختن به چرخش‌های فردی ایجاد کرده‌اند که نقاط قوت کنترل نوری و مایکروویو را ترکیب می‌کند. آنها از امواج مایکروویو برای کنترل چرخش‌های تکی در الماس با استفاده از نور نوری استفاده کردند. آنها عملیات انتخابی سایت را برای پردازش اطلاعات نشان دادند و درهم تنیدگی بین چرخش های الکترونیکی و هسته ای را برای انتقال اطلاعات ایجاد کردند.
مراکز Diamond NV
برای چرخش خود، این تیم از مراکز نیتروژن خالی (NV) در یک کریستال الماس استفاده کرد. اینها زمانی اتفاق می‌افتند که دو اتم کربن همسایه در یک شبکه الماس با یک اتم نیتروژن و یک مکان خالی جایگزین شوند. حالت پایه یک مرکز NV یک سیستم الکترونیکی spin-1 است که می تواند به عنوان کیوبیت برای رمزگذاری اطلاعات استفاده شود.
برای انجام محاسبات، فرد باید بتواند وضعیت اسپین کیوبیت ها را به صورت کنترل شده تغییر دهد. برای یک کیوبیت، داشتن مجموعه ای از چهار عملیات اصلی برای انجام این کار کافی است. اینها عملیات هویت و دروازه‌های Pauli X, Y, Z هستند که حالت را حول سه محور کره بلوخ می‌چرخانند.
دروازه های هولونومیک جهانی
این عملیات را می توان با استفاده از تکامل پویا پیاده سازی کرد، که در آن یک سیستم دو سطحی توسط یک میدان در رزونانس یا نزدیک به رزونانس با انتقال به "چرخش" کیوبیت به حالت مطلوب هدایت می شود. راه دیگر پیاده سازی یک گیت هولونومیک است که در آن فاز یک حالت به صورت بزرگتر تغییر می کند تا اثر گیت مورد نظر روی زیرفضای کیوبیت دو سطحی داشته باشد. در مقایسه با تکامل پویا، این روش برای مکانیسم‌های ناهمدوسی قوی‌تر در نظر گرفته می‌شود، زیرا فاز به‌دست‌آمده به مسیر دقیق تکامل حالت بزرگتر بستگی ندارد.
در این تحقیق اخیر، کوساکا و همکارانش ابتدا انتخاب مکانی تکنیک خود را با متمرکز کردن لیزر در یک مرکز NV خاص نشان می‌دهند. این فرکانس انتقال را در آن سایت تغییر می دهد به طوری که وقتی کل سیستم توسط امواج مایکروویو در فرکانس مناسب هدایت می شود، هیچ سایت دیگری پاسخ نمی دهد. با استفاده از این تکنیک، تیم توانست مناطقی با عرض چند صد نانومتر را به جای مناطق بسیار بزرگ‌تری که توسط امواج مایکروویو روشن می‌شوند، مورد توجه قرار دهد.
با انتخاب سایت‌ها به این روش، محققان نشان دادند که می‌توانند عملیات دروازه هولونومیک Pauli-X، Y و Z را با وفاداری خوب (بیش از ۹۰ درصد) اجرا کنند. وفاداری گیت معیاری است که نشان می دهد عملکرد گیت پیاده سازی شده چقدر به یک گیت ایده آل نزدیک است. آنها از یک پالس مایکروویو استفاده می‌کنند که فاز آن را در بین می‌چرخاند و این باعث می‌شود پروتکل‌ها در برابر قدرت غیریکنواختی قوی باشند. آنها همچنین نشان می دهند که یک زمان انسجام چرخشی در حدود 90 میلی ثانیه حتی پس از عملیات گیت که زمان قابل مقایسه ای را می گیرد، حفظ می شود.
حافظه ها و شبکه های کوانتومی
علاوه بر حالت‌های اسپین الکترونیکی، یک مرکز NV نیز دارای حالت‌های اسپین هسته‌ای قابل دسترس مرتبط با هسته نیتروژن است. حتی در دمای اتاق، این حالت ها به دلیل جدا بودن از محیط، عمر بسیار طولانی دارند. در نتیجه، حالت‌های اسپین هسته‌ای مرکز NV می‌توانند به عنوان حافظه‌های کوانتومی برای ذخیره‌سازی اطلاعات کوانتومی برای مدت طولانی استفاده شوند. این برخلاف کیوبیت‌های مبتنی بر مدارهای ابررسانا است که برای غلبه بر نویز حرارتی باید در دمای کمتر از میلی‌کلوین باشند و بیشتر در معرض ناهمدوسی ناشی از تعامل با محیط هستند.
سنسور الماس با وضوح بالا، جریان های الکتریکی در قلب را ترسیم می کند
کوساکا و همکارانش همچنین توانستند بین یک اسپین الکترونیکی و یک اسپین هسته ای در مرکز NV درهم تنیده ایجاد کنند. این امکان انتقال اطلاعات کوانتومی از یک فوتون فرودی به اسپین الکترونیکی مرکز NV و سپس به حافظه کوانتومی اسپین هسته ای را فراهم می کند. چنین قابلیتی برای پردازش توزیع شده که در آن فوتون ها می توانند برای انتقال اطلاعات بین کیوبیت ها در سیستم های مشابه یا متفاوت در یک شبکه کوانتومی استفاده شوند، حیاتی است.
نوشتن در طبیعت فوتونیکمحققان می گویند که با تغییراتی در فرآیند آدرس دهی نوری آنها، باید بتوان وضوح فضایی آن را بهبود بخشید و همچنین از تعاملات منسجم بین چندین مرکز NV استفاده کرد. ترکیب چند تکنیک مختلف می تواند «دسترسی انتخابی به بیش از 10,000 کیوبیت در 10×10×10 میکرومتر را امکان پذیر کند.3 حجم، راه را برای ذخیره سازی کوانتومی در مقیاس بزرگ هموار می کند. کوساکا می‌گوید که گروه او اکنون روی کار چالش‌برانگیز ساخت دو دروازه کیوبیت با استفاده از دو مرکز NV نزدیک کار می‌کند.
