טכניקה לטיפול בספינים אלקטרוניים וגרעיניים בודדים בגביש יהלום פותחה על ידי חוקרים ביפן. התוכנית משלבת תהליכים אופטיים ומיקרוגל ועשויה להוביל ליצירת מערכות בקנה מידה גדול לאחסון ועיבוד מידע קוונטי.
ספינים אלקטרוניים וגרעיניים בחלק מהגבישים במצב מוצק הם פלטפורמות מבטיחות למחשבים וזכרונות קוונטיים בקנה מידה גדול. ספינים אלה מקיימים אינטראקציה חלשה עם הסביבה המקומית שלהם בטמפרטורת החדר, מה שאומר שהם יכולים לפעול כסיביות קוונטיות (קווביטים) המאחסנות מידע קוונטי לזמן ארוך מאוד. יתר על כן, ניתן לשלוט בסיבובים כאלה ללא הפסדים משמעותיים. בדרך כלל, הספינים מגיבים לאור אופטי וגם למיקרוגלים. אור אופטי טוב לדיוק מרחבי בטיפול בספינים בודדים בגלל אורכי הגל הקצרים שלו. המיקרוגלים הארוכים יותר, לעומת זאת, מספקים שליטה ברמת נאמנות גבוהה יותר של כל הספינים בקריסטל במחיר ללא רזולוציה מרחבית.
עכשיו, הידאו קוסקה ועמיתים מהאוניברסיטה הלאומית של יוקוהמה ביפן פיתחו דרך לטפל בספינים בודדים המשלבת את החוזקות של שליטה אופטית ומיקרוגל כאחד. הם השתמשו במיקרוגלים כדי לשלוט בספינים בודדים ביהלום על ידי "הזרקת" אותם במדויק באמצעות אור אופטי. הם הדגימו פעולות סלקטיביות באתר לעיבוד מידע ויצרו הסתבכות בין ספינים אלקטרוניים לגרעיניים להעברת מידע.
דיימונד NV מרכזי
עבור הסיבובים שלה, הצוות השתמש במרכזי חנקן-פנויים (NV) בגביש יהלום. אלה מתרחשים כאשר שני אטומי פחמן שכנים בסריג יהלום מוחלפים באטום חנקן ובאתר פנוי. מצב הקרקע של מרכז NV הוא מערכת אלקטרונית ספין-1 שיכולה לשמש כקיוביט לקידוד מידע.
כדי לבצע חישוב, צריך להיות מסוגל לשנות את מצב הספין של הקיוביטים בצורה מבוקרת. עבור קיוביט בודד, זה מספיק לקבוצה של ארבע פעולות קרדינליות כדי לעשות זאת. אלו הם פעולת הזהות ושערי פאולי X, Y, Z, המסובבים את המדינה סביב שלושת הצירים של כדור בלוך.
שערים הולונומיים אוניברסליים
ניתן ליישם את הפעולות הללו על ידי שימוש באבולוציה דינמית, שבה מערכת דו-מפלסית מונעת על ידי שדה בתהודה או קרובה עם המעבר "לסובב" את הקיוביט למצב הרצוי. דרך נוספת היא ליישם שער הולונומי, שבו השלב של מצב בבסיס גדול יותר משתנה כך שתהיה לו את ההשפעה של השער הרצוי על תת-מרחב הקיוביט הדו-מפלסי. בהשוואה לאבולוציה דינמית, שיטה זו נחשבת חזקה יותר למנגנוני דקוהרנטיות מכיוון שהשלב הנרכש אינו תלוי בנתיב האבולוציה המדויק של המדינה הגדולה יותר.
במחקר האחרון הזה, קוסאקה ועמיתיו מדגימים לראשונה את סלקטיביות האתר של הטכניקה שלהם על ידי מיקוד לייזר במרכז NV ספציפי. זה משנה את תדירות המעבר באותו אתר כך שאף אתר אחר לא מגיב כאשר המערכת כולה מונעת על ידי גלי מיקרו בתדר הנכון. באמצעות טכניקה זו, הצוות הצליח להאיר אזורים באורך של כמה מאות ננומטרים, במקום את השטחים הגדולים בהרבה המוארים על ידי גלי המיקרו.
על ידי בחירת אתרים בדרך זו, החוקרים הראו שהם יכולים ליישם את פעולות השער ההולונומי Pauli-X, Y ו-Z בנאמנות טובה (יותר מ-90%). נאמנות השער היא מדד למידת מידת הביצועים של השער המיושם לשער אידיאלי. הם משתמשים בפולס של מיקרוגל שמהפוך את הפאזה שלו ביניהם, מה שהופך את הפרוטוקולים לחסונים לאי-אחידות בכוח. הם גם מראים שזמן קוהרנטיות ספין של כ-3 אלפיות השנייה נשמר גם לאחר פעולות שער שלוקחות זמן דומה.
זיכרונות ורשתות קוונטיים
בנוסף למצבי הספין האלקטרוני, למרכז NV יש גם מצבי ספין גרעיניים נגישים הקשורים לגרעין החנקן. אפילו בטמפרטורת החדר, מצבים אלה ארוכים במיוחד בגלל הבידוד שלהם מהסביבה. כתוצאה מכך, מצבי הספין הגרעיניים במרכז NV יכולים לשמש כזיכרונות קוונטיים לאחסון מידע קוונטי לאורך זמן. זה בניגוד לקיוביטים המבוססים על מעגלים מוליכים-על, שצריכים להיות בטמפרטורות תת-מיליקלווין כדי להתגבר על רעש תרמי ורגישים יותר לדה-קוהרנטיות הנגרמת מאינטראקציות עם הסביבה.
חיישן יהלום ברזולוציה גבוהה ממפה זרמים חשמליים בלב
קוסקה ועמיתיו הצליחו גם ליצור הסתבכות בין ספין אלקטרוני לספין גרעיני במרכז NV. זה מאפשר העברה של מידע קוונטי מפוטון מתרחש לספין האלקטרוני של מרכז ה-NV ואז הלאה לזיכרון הקוונטי הספין הגרעיני. יכולת כזו היא קריטית לעיבוד מבוזר שבו ניתן להשתמש בפוטונים להעברת מידע בין קיוביטים במערכות זהות או שונות ברשת קוונטית.
כותב ב Nature Photonics, אומרים החוקרים שעם שינויים בתהליך הפנייה האופטי שלהם, זה אמור להיות אפשרי לשפר את הרזולוציה המרחבית שלו וגם לעשות שימוש באינטראקציות קוהרנטיות בין מספר מרכזי NV. שילוב של כמה טכניקות שונות יכול לאפשר "גישה סלקטיבית ליותר מ-10,000 קיוביטים ב-10×10×10 מיקרומטר3 נפח, וסוללת את הדרך לאחסון קוונטי בקנה מידה גדול". קוסקה אומר שהקבוצה שלו עובדת כעת על המשימה המאתגרת של יצירת שני שערי קיוביט באמצעות שני מרכזי NV סמוכים.
