Japanilaiset tutkijat ovat kehittäneet tekniikan yksittäisten elektronisten ja ydinpyörien käsittelemiseksi timanttikiteessä. Järjestelmä yhdistää optiset ja mikroaaltoprosessit ja voi johtaa laajamittaisten järjestelmien luomiseen kvanttitiedon tallentamiseen ja käsittelyyn.
Joidenkin solid-state-kiteiden elektroniset ja ydinpyörät ovat lupaavia alustoja laajamittaisille kvanttitietokoneille ja muisteille. Nämä spinit ovat heikosti vuorovaikutuksessa paikallisen ympäristönsä kanssa huoneenlämmössä, mikä tarkoittaa, että ne voivat toimia kvanttibitteinä (qubits), jotka tallentavat kvanttitietoa hyvin pitkiä aikoja. Lisäksi tällaisia pyörityksiä voidaan hallita ilman merkittäviä tappioita. Tyypillisesti spinit reagoivat sekä optiseen valoon että mikroaaltoaalloihin. Optinen valo on hyvä spatiaaliseen tarkkuuteen yksittäisten spinien käsittelyssä lyhyempien aallonpituuksiensa vuoksi. Pidemmät mikroaallot puolestaan tarjoavat tarkemman hallinnan kaikille kiteen pyörimisille ilman spatiaalista resoluutiota.
Nyt, Hideo Kosaka ja kollegat Yokohama National Universitystä Japanista ovat kehittäneet tavan käsitellä yksittäisiä pyörityksiä, joissa yhdistyvät sekä optisen että mikroaaltouunin ohjauksen vahvuudet. He käyttivät mikroaaltoja ohjaamaan yksittäisiä timanttien pyörityksiä "kohottamalla" niitä tarkasti optisella valolla. He esittelivät paikkavalintoja tiedonkäsittelyssä ja synnyttivät kietoutumista elektronisten ja ydinspinien välille tiedonsiirtoa varten.
Diamond NV -keskukset
Ryhmä käytti kierroksissaan typpivakanssikeskuksia (NV) timanttikiteessä. Näitä tapahtuu, kun kaksi vierekkäistä hiiliatomia timanttihilassa korvataan typpiatomilla ja vapaalla paikalla. NV-keskuksen perustila on spin-1 elektroninen järjestelmä, jota voidaan käyttää kubittina tiedon koodaamiseen.
Laskennan suorittamiseksi on kyettävä muuttamaan kubittien spin-tilaa hallitusti. Yhdelle kubitille riittää neljän kardinaalioperaation sarja tämän tekemiseen. Nämä ovat identiteettioperaatio ja Pauli X, Y, Z -portit, jotka kiertävät tilaa Bloch-pallon kolmen akselin ympäri.
Yleiskäyttöiset holoniset portit
Nämä toiminnot voidaan toteuttaa käyttämällä dynaamista kehitystä, jossa kaksitasoista järjestelmää ohjaa kenttä, joka on resonanssissa tai lähellä resonanssia siirtymällä kubitin "kääntämiseksi" haluttuun tilaan. Toinen tapa on toteuttaa holonominen portti, jossa tilan vaihetta laajemmassa kannassa muutetaan niin, että sillä on halutun portin vaikutus kaksitasoiseen qubit-aliavaruuteen. Verrattuna dynaamiseen evoluutioon tämän menetelmän katsotaan olevan kestävämpi dekoherenssimekanismeille, koska hankittu vaihe ei riipu suuremman tilan tarkasta kehityspolusta.
Tässä uusimmassa tutkimuksessa Kosaka ja kollegat osoittavat ensin tekniikkansa paikkaselektiivisyyden kohdistamalla laserin tiettyyn NV-keskukseen. Tämä muuttaa siirtymätaajuutta kyseisessä paikassa siten, että mikään muu paikka ei reagoi, kun koko järjestelmää ohjataan mikroaaloilla oikealla taajuudella. Tätä tekniikkaa käyttämällä tiimi pystyi valaisemaan muutaman sadan nanometrin halkaisijaltaan alueita mikroaaltojen valaisemien paljon suurempien alueiden sijaan.
Tällä tavalla valitessaan paikat tutkijat osoittivat, että he pystyivät toteuttamaan Pauli-X-, Y- ja Z-holoniset porttioperaatiot hyvällä tarkkuudella (yli 90 %). Portin tarkkuus on mitta siitä, kuinka lähellä toteutetun portin suorituskyky on ihanteellinen portti. Ne käyttävät mikroaaltopulssia, joka kääntää vaiheensa välillä, mikä tekee protokollista kestäviä tehon epätasaisuuden suhteen. Ne osoittavat myös, että noin 3 ms:n spin-koherenssiaika säilyy jopa vastaavan ajan vievien porttioperaatioiden jälkeen.
Kvanttimuistit ja -verkostot
Elektronisten spin-tilojen lisäksi NV-keskuksessa on myös saatavilla olevat typpiytimeen liittyvät ydinspin-tilat. Jopa huoneenlämmössä nämä tilat ovat erittäin pitkäikäisiä, koska ne ovat eristyksissä ympäristöstä. Tämän seurauksena NV-keskuksen ydinspin tiloja voidaan käyttää kvanttimuisteina kvanttiinformaation tallentamiseen pitkiä aikoja. Tämä on toisin kuin suprajohtaviin piireihin perustuvat kubitit, joiden on oltava alle millikelvinin lämpötiloissa lämpökohinan voittamiseksi ja jotka ovat herkempiä ympäristön kanssa tapahtuvan vuorovaikutuksen aiheuttamalle dekoherenssille.
Korkearesoluutioinen timanttianturi kartoittaa sähkövirrat sydämessä
Kosaka ja kollegat pystyivät myös luomaan sotkeutumisen elektronisen spinin ja ydinpyörän välille NV-keskuksessa. Tämä mahdollistaa kvanttiinformaation siirtämisen sattuvasta fotonista NV-keskuksen elektroniseen spiniin ja sitten ydinspin kvanttimuistiin. Tällainen kyky on kriittinen hajautetussa prosessoinnissa, jossa fotoneilla voidaan siirtää tietoa kubittien välillä samassa tai eri järjestelmissä kvanttiverkossa.
Kirjoittaminen sisään Luonto Fotoniikka, tutkijat sanovat, että optisen osoitusprosessin muutoksilla pitäisi olla mahdollista parantaa sen spatiaalista resoluutiota ja myös hyödyntää useiden NV-keskusten välisiä koherentteja vuorovaikutuksia. Muutaman eri tekniikan yhdistäminen voisi mahdollistaa "selektiivisen pääsyn yli 10,000 10 kvbittiin 10 × 10 × XNUMX µm:ssä3 volyymi, joka tasoittaa tietä laajamittaiselle kvanttivarastointiin”. Kosaka kertoo, että hänen ryhmänsä työskentelee nyt haastavassa tehtävässä tehdä kaksi qubit-porttia käyttämällä kahta läheistä NV-keskusta.
