Une technique pour traiter les spins électroniques et nucléaires individuels dans un cristal de diamant a été développée par des chercheurs au Japon. Le schéma combine des processus optiques et micro-ondes et pourrait conduire à la création de systèmes à grande échelle pour le stockage et le traitement de l'information quantique.
Les spins électroniques et nucléaires dans certains cristaux à l'état solide sont des plateformes prometteuses pour les mémoires et les ordinateurs quantiques à grande échelle. Ces spins interagissent faiblement avec leur environnement local à température ambiante, ce qui signifie qu'ils peuvent fonctionner comme des bits quantiques (qubits) qui stockent des informations quantiques pendant de très longues périodes. De plus, de tels spins peuvent être contrôlés sans pertes significatives. En règle générale, les spins répondent à la fois à la lumière optique et aux micro-ondes. La lumière optique est bonne pour la précision spatiale dans l'adressage des spins individuels en raison de ses longueurs d'onde plus courtes. Les micro-ondes plus longues, d'autre part, fournissent un contrôle plus fidèle de tous les spins dans un cristal au prix d'aucune résolution spatiale.
Maintenant, Hideo Kosaka et des collègues de l'Université nationale de Yokohama au Japon ont développé un moyen d'aborder les spins individuels qui combine les points forts du contrôle optique et micro-ondes. Ils ont utilisé des micro-ondes pour contrôler les spins individuels du diamant en les « éclairant » avec précision à l'aide d'une lumière optique. Ils ont démontré des opérations de sélection de sites pour le traitement de l'information et généré un enchevêtrement entre les spins électroniques et nucléaires pour le transfert d'informations.
Centres Diamond NV
Pour ses spins, l'équipe a utilisé des centres d'azote-lacune (NV) dans un cristal de diamant. Celles-ci se produisent lorsque deux atomes de carbone voisins dans un réseau de diamant sont remplacés par un atome d'azote et un site vacant. L'état fondamental d'un centre NV est un système électronique spin-1 qui peut être utilisé comme qubit pour coder des informations.
Pour effectuer un calcul, il faut pouvoir changer l'état de spin des qubits de manière contrôlée. Pour un seul qubit, il suffit d'avoir un ensemble de quatre opérations cardinales pour ce faire. Ce sont l'opération d'identité et les portes de Pauli X, Y, Z, qui font tourner l'état autour des trois axes de la sphère de Bloch.
Portes holonomes universelles
Ces opérations peuvent être mises en œuvre en utilisant l'évolution dynamique, où un système à deux niveaux est piloté par un champ à ou proche de la résonance avec la transition pour «faire pivoter» le qubit vers l'état souhaité. Une autre façon consiste à implémenter une porte holonomique, où la phase d'un état dans une base plus large est modifiée de sorte qu'elle ait l'effet de la porte souhaitée sur le sous-espace qubit à deux niveaux. Par rapport à l'évolution dynamique, cette méthode est considérée comme plus robuste aux mécanismes de décohérence car la phase acquise ne dépend pas du chemin d'évolution exact de l'état le plus large.
Dans cette dernière recherche, Kosaka et ses collègues démontrent d'abord la sélectivité du site de leur technique en concentrant un laser sur un centre NV spécifique. Cela modifie la fréquence de transition sur ce site de sorte qu'aucun autre site ne répond lorsque l'ensemble du système est alimenté par des micro-ondes à la bonne fréquence. En utilisant cette technique, l'équipe a pu mettre en lumière des régions de quelques centaines de nanomètres de diamètre, plutôt que des zones beaucoup plus vastes éclairées par les micro-ondes.
En sélectionnant les sites de cette façon, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient implémenter les opérations de porte holonome Pauli-X, Y et Z avec une bonne fidélité (supérieure à 90%). La fidélité de la porte est une mesure de la proximité des performances de la porte implémentée avec une porte idéale. Ils utilisent une impulsion micro-onde qui inverse sa phase entre les deux, ce qui rend les protocoles robustes aux non-uniformités de puissance. Ils montrent également qu'un temps de cohérence de spin d'environ 3 ms est maintenu même après des opérations de porte qui prennent un temps comparable.
Mémoires et réseaux quantiques
En plus des états de spin électronique, un centre NV a également des états de spin nucléaire accessibles associés au noyau d'azote. Même à température ambiante, ces états sont extrêmement durables en raison de leur isolement de l'environnement. En conséquence, les états de spin nucléaire du centre NV peuvent être utilisés comme mémoires quantiques pour le stockage d'informations quantiques pendant de longues périodes. Ceci est différent des qubits basés sur des circuits supraconducteurs, qui doivent être à des températures inférieures au millikelvin pour surmonter le bruit thermique et sont plus sensibles à la décohérence causée par les interactions avec l'environnement.
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Kosaka et ses collègues ont également pu générer un enchevêtrement entre un spin électronique et un spin nucléaire dans le centre NV. Cela permet le transfert d'informations quantiques d'un photon incident vers le spin électronique du centre NV, puis vers la mémoire quantique du spin nucléaire. Une telle capacité est essentielle pour le traitement distribué où les photons peuvent être utilisés pour transférer des informations entre des qubits dans le même système ou dans des systèmes différents dans un réseau quantique.
Ecrire dans Nature Photonics, les chercheurs affirment qu'avec des modifications de leur processus d'adressage optique, il devrait être possible d'améliorer sa résolution spatiale et également d'utiliser des interactions cohérentes entre plusieurs centres NV. La combinaison de quelques techniques différentes pourrait permettre "un accès sélectif à plus de 10,000 10 qubits dans un 10 × 10 × XNUMX µm3 volume, ouvrant la voie au stockage quantique à grande échelle ». Kosaka dit que son groupe travaille maintenant sur la tâche difficile de créer deux portes qubit en utilisant deux centres NV à proximité.
