Japán kutatók kifejlesztettek egy technikát a gyémántkristály egyedi elektronikus és nukleáris pörgéseinek kezelésére. A rendszer ötvözi az optikai és mikrohullámú folyamatokat, és nagyszabású rendszerek létrehozásához vezethet a kvantuminformációk tárolására és feldolgozására.
Egyes szilárdtestkristályok elektronikus és nukleáris pörgetései ígéretes platformot jelentenek a nagyméretű kvantumszámítógépek és memóriák számára. Ezek a spinek szobahőmérsékleten gyengén kölcsönhatásba lépnek a helyi környezetükkel, ami azt jelenti, hogy kvantumbitekként (qubitek) működhetnek, amelyek nagyon hosszú ideig tárolják a kvantuminformációkat. Ezenkívül az ilyen pörgéseket jelentős veszteségek nélkül lehet szabályozni. Általában a pörgetések optikai fényre és mikrohullámokra egyaránt reagálnak. Az optikai fény rövidebb hullámhossza miatt jó a térbeli pontossághoz az egyes spinek megszólításában. A hosszabb mikrohullámú sütők viszont pontosabban szabályozzák a kristály összes pörgését, térbeli felbontás nélkül.
Most, Hideo Kosaka és munkatársai a japán Yokohama National University-n olyan módszert fejlesztettek ki az egyéni pörgés kezelésére, amely egyesíti az optikai és mikrohullámú vezérlés erősségeit. Mikrohullámokat használtak a gyémánt egyes pörgetéseinek szabályozására úgy, hogy optikai fény segítségével pontosan „reflektorfénybe” helyezték azokat. Bemutatták az információfeldolgozás helyszelektív műveleteit, és összefonódást generáltak az elektronikus és a nukleáris spinek között az információátvitelhez.
Diamond NV központok
Pörgetéseihez a csapat nitrogén-üresedési (NV) központokat használt egy gyémántkristályban. Ezek akkor fordulnak elő, amikor egy gyémántrácsban két szomszédos szénatomot nitrogénatommal és egy üres hellyel helyettesítenek. Az NV központ alapállapota egy spin-1 elektronikus rendszer, amely qubitként használható információk kódolására.
A számítás elvégzéséhez képesnek kell lennie a qubitek spinállapotának szabályozott megváltoztatására. Egyetlen qubithez elegendő egy négy kardinális műveletből álló halmaz ehhez. Ezek az identitásművelet és a Pauli X, Y, Z kapuk, amelyek a Bloch-gömb három tengelye körül forgatják az állapotot.
Univerzális holonom kapuk
Ezeket a műveleteket dinamikus evolúció segítségével lehet megvalósítani, ahol egy kétszintű rendszert egy rezonanciaszintű vagy ahhoz közeli mező hajt, a qubit kívánt állapotba forgatásával. Egy másik módszer egy holonikus kapu megvalósítása, ahol egy állapot fázisát nagyobb alapon úgy változtatjuk meg, hogy az a kétszintű qubit altérben a kívánt kapu hatását érje el. A dinamikus evolúcióhoz képest ez a módszer robusztusabbnak tekinthető a dekoherencia mechanizmusokkal szemben, mivel a megszerzett fázis nem függ a nagyobb állapot pontos fejlődési útjától.
Ebben a legújabb kutatásban Kosaka és munkatársai először mutatják be technikájuk helyszelektivitását úgy, hogy egy lézert egy adott NV-központra fókuszálnak. Ez megváltoztatja az átmenet frekvenciáját azon a helyen, hogy egyetlen másik hely se reagáljon, amikor az egész rendszert a megfelelő frekvencián működő mikrohullámú sütők hajtják. Ezzel a technikával a csapat néhány száz nanométer átmérőjű területeket tudott megvilágítani, nem pedig a mikrohullámok által megvilágított sokkal nagyobb területeket.
A helyszínek ilyen módon történő kiválasztásával a kutatók megmutatták, hogy jó hűséggel (több mint 90%-kal) tudják megvalósítani a Pauli-X, Y és Z holonikus kapuműveleteket. A kapuhűség annak mértéke, hogy a megvalósított kapu teljesítménye milyen közel áll az ideális kapuhoz. Mikrohullámú impulzust használnak, amely megfordítja a fázisát, ami a protokollokat robusztussá teszi a teljesítmény egyenetlenségeivel szemben. Azt is mutatják, hogy a körülbelül 3 ms-os spin-koherencia idő még hasonló ideig tartó kapuműveletek után is megmarad.
Kvantum memóriák és hálózatok
Az elektronikus spin-állapotokon kívül egy NV-központban a nitrogénmaghoz kapcsolódó nukleáris spin állapotok is elérhetők. Ezek az állapotok még szobahőmérsékleten is rendkívül hosszú életűek a környezettől való elszigeteltségük miatt. Ennek eredményeként az NV-központú magspin állapotok kvantummemóriaként használhatók kvantuminformációk hosszú ideig történő tárolására. Ez ellentétben áll a szupravezető áramkörökön alapuló qubitekkel, amelyeknek millikelvin alatti hőmérsékleten kell lenniük a hőzaj leküzdéséhez, és érzékenyebbek a környezettel való kölcsönhatások által okozott dekoherenciára.
A nagy felbontású gyémánt érzékelő feltérképezi a szív elektromos áramait
Kosaka és munkatársai képesek voltak összefonódást generálni egy elektronikus spin és egy nukleáris spin között az NV központban. Ez lehetővé teszi a kvantuminformációk átvitelét egy beeső fotonról az NV-központ elektronikus spinjére, majd onnan a magspin-kvantummemóriába. Ez a képesség kritikus fontosságú az elosztott feldolgozásban, ahol a fotonok felhasználhatók információk átvitelére a kvantumhálózat azonos vagy különböző rendszereiben lévő qubitek között.
Írás Nature fotonikaA kutatók azt mondják, hogy az optikai címzési folyamat módosításával lehetővé kell tenni a térbeli felbontás javítását és a több NV-központ közötti koherens kölcsönhatások kihasználását. Néhány különböző technika kombinálása lehetővé teszi a „szelektív hozzáférést több mint 10,000 10 qubithez egy 10 × 10 × XNUMX µm-ben3 kötet, megnyitva az utat a nagyszabású kvantumtárolás felé”. Kosaka azt mondja, hogy csoportja most azon a kihívást jelentő feladaton dolgozik, hogy két közeli NV-központból két qubit kaput készítsen.
