Una tecnica per affrontare i singoli spin elettronici e nucleari in un cristallo di diamante è stata sviluppata da ricercatori in Giappone. Lo schema combina processi ottici e a microonde e potrebbe portare alla creazione di sistemi su larga scala per la memorizzazione e l'elaborazione di informazioni quantistiche.
Gli spin elettronici e nucleari in alcuni cristalli allo stato solido sono piattaforme promettenti per computer e memorie quantistiche su larga scala. Questi spin interagiscono debolmente con il loro ambiente locale a temperatura ambiente, il che significa che possono funzionare come bit quantistici (qubit) che memorizzano informazioni quantistiche per tempi molto lunghi. Inoltre, tali rotazioni possono essere controllate senza perdite significative. In genere, gli spin rispondono sia alla luce ottica che alle microonde. La luce ottica è buona per la precisione spaziale nell'affrontare i singoli giri a causa delle sue lunghezze d'onda più corte. Le microonde più lunghe, d'altra parte, forniscono un controllo ad alta fedeltà di tutti gli spin in un cristallo a costo di nessuna risoluzione spaziale.
Adesso, Hideo Kosaka e colleghi della Yokohama National University in Giappone hanno sviluppato un modo per affrontare i singoli giri che combina i punti di forza del controllo sia ottico che a microonde. Hanno usato le microonde per controllare le singole rotazioni nel diamante "illuminandole" con precisione usando la luce ottica. Hanno dimostrato operazioni selettive sul sito per l'elaborazione delle informazioni e generato entanglement tra spin elettronici e nucleari per il trasferimento di informazioni.
Centri Diamond NV
Per i suoi giri, il team ha utilizzato centri di vacanza di azoto (NV) in un cristallo di diamante. Questi si verificano quando due atomi di carbonio vicini in un reticolo di diamante vengono sostituiti con un atomo di azoto e un sito vuoto. Lo stato fondamentale di un centro NV è un sistema elettronico spin-1 che può essere utilizzato come qubit per codificare le informazioni.
Per eseguire il calcolo, è necessario essere in grado di modificare lo stato di rotazione dei qubit in modo controllato. Per un singolo qubit, è sufficiente avere un insieme di quattro operazioni cardinali per farlo. Queste sono l'operazione di identità e le porte Pauli X, Y, Z, che ruotano lo stato attorno ai tre assi della sfera di Bloch.
Cancelli olonomi universali
Queste operazioni possono essere implementate utilizzando l'evoluzione dinamica, in cui un sistema a due livelli è guidato da un campo in risonanza o quasi con la transizione per "ruotare" il qubit allo stato desiderato. Un altro modo è implementare una porta olonomica, in cui la fase di uno stato in una base più ampia viene modificata in modo che abbia l'effetto della porta desiderata sul sottospazio qubit a due livelli. Rispetto all'evoluzione dinamica, questo metodo è considerato più robusto ai meccanismi di decoerenza perché la fase acquisita non dipende dall'esatto percorso evolutivo dello stato più ampio.
In quest'ultima ricerca, Kosaka e colleghi hanno prima dimostrato la selettività del sito della loro tecnica focalizzando un laser su uno specifico centro NV. Questo cambia la frequenza di transizione in quel sito in modo tale che nessun altro sito risponda quando l'intero sistema è pilotato da microonde alla giusta frequenza. Usando questa tecnica, il team è stato in grado di mettere in luce regioni di alcune centinaia di nanometri di diametro, piuttosto che le aree molto più grandi illuminate dalle microonde.
Selezionando i siti in questo modo, i ricercatori hanno dimostrato di poter implementare le operazioni delle porte olonomiche Pauli-X, Y e Z con una buona fedeltà (maggiore del 90%). La fedeltà del gate è una misura di quanto le prestazioni del gate implementato siano vicine a un gate ideale. Usano un impulso a microonde che inverte la sua fase nel mezzo, il che rende i protocolli robusti alle non uniformità di potenza. Mostrano anche che un tempo di coerenza di spin di circa 3 ms viene mantenuto anche dopo operazioni di gate che richiedono un tempo comparabile.
Ricordi e reti quantistiche
Oltre agli stati di spin elettronico, un centro NV ha anche stati di spin nucleare accessibili associati al nucleo di azoto. Anche a temperatura ambiente, questi stati sono estremamente longevi a causa del loro isolamento dall'ambiente. Di conseguenza, gli stati di spin nucleare del centro NV possono essere utilizzati come memorie quantistiche per la conservazione di informazioni quantistiche per lunghi periodi. Questo è diverso dai qubit basati su circuiti superconduttori, che devono essere a temperature inferiori al millikelvin per superare il rumore termico e sono più suscettibili alla decoerenza causata dalle interazioni con l'ambiente.
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Kosaka e colleghi sono stati anche in grado di generare entanglement tra uno spin elettronico e uno spin nucleare nel centro NV. Ciò consente il trasferimento di informazioni quantistiche da un fotone incidente allo spin elettronico del centro NV e quindi alla memoria quantistica di spin nucleare. Tale capacità è fondamentale per l'elaborazione distribuita in cui i fotoni possono essere utilizzati per trasferire informazioni tra qubit nello stesso sistema o in sistemi diversi in una rete quantistica.
Scrivere dentro Nature Photonics, i ricercatori affermano che con le modifiche al loro processo di indirizzamento ottico, dovrebbe essere possibile migliorarne la risoluzione spaziale e anche utilizzare interazioni coerenti tra più centri NV. La combinazione di alcune tecniche diverse potrebbe consentire "l'accesso selettivo a più di 10,000 qubit in un formato 10 × 10 × 10 µm3 volume, aprendo la strada allo storage quantistico su larga scala”. Kosaka afferma che il suo gruppo sta ora lavorando all'impegnativo compito di creare due porte qubit utilizzando due centri NV vicini.
