ダイヤモンド結晶中の個々の電子スピンと核スピンに対処する技術が、日本の研究者によって開発されました。 このスキームは、光学プロセスとマイクロ波プロセスを組み合わせており、量子情報の保存と処理のための大規模システムの作成につながる可能性があります。
一部の固体結晶の電子スピンと核スピンは、大規模な量子コンピューターとメモリの有望なプラットフォームです。 これらのスピンは、室温で局所環境と弱く相互作用します。つまり、量子情報を非常に長期間保存する量子ビット (キュービット) として動作できます。 さらに、そのようなスピンは、重大な損失なしに制御できます。 通常、スピンは光とマイクロ波の両方に反応します。 光は波長が短いため、個々のスピンに対処する際の空間精度に優れています。 一方、より長いマイクロ波は、空間分解能を犠牲にして、結晶内のすべてのスピンのより忠実な制御を提供します。
今、 小坂秀雄 日本の横浜国立大学の研究チームは、光学制御とマイクロ波制御の両方の長所を組み合わせた個々のスピンに対処する方法を開発しました。 彼らはマイクロ波を使用して、光を使用して正確に「スポットライトを当てる」ことにより、ダイヤモンドの個々のスピンを制御しました。 彼らは、情報処理のためのサイト選択操作を実証し、情報伝達のための電子スピンと核スピン間のもつれを生成しました。
ダイヤモンドNVセンター
そのスピンには、チームはダイヤモンド結晶の窒素空孔 (NV) センターを使用しました。 これらは、ダイヤモンド格子内の隣接する 1 つの炭素原子が窒素原子と空のサイトに置き換えられたときに発生します。 NV センターの基底状態は、情報をエンコードするための量子ビットとして使用できるスピン XNUMX 電子システムです。
計算を実行するには、量子ビットのスピン状態を制御された方法で変更できる必要があります。 単一の量子ビットの場合、これを行うには XNUMX つの基数操作のセットがあれば十分です。 これらは、ブロッホ球の XNUMX つの軸を中心に状態を回転させる恒等操作とパウリ X、Y、Z ゲートです。
ユニバーサル ホロノミック ゲート
これらの操作は、動的進化を使用して実装できます。この場合、XNUMX レベル システムは、量子ビットを目的の状態に「回転」させる遷移を伴う共鳴またはその近くの場によって駆動されます。 もう XNUMX つの方法は、ホロノミック ゲートを実装することです。この場合、XNUMX レベルの量子ビット部分空間で目的のゲートの効果が得られるように、より大きな基底の状態の位相が変更されます。 動的進化と比較して、この方法はデコヒーレンス メカニズムに対してよりロバストであると考えられます。これは、獲得された位相がより大きな状態の正確な進化経路に依存しないためです。
この最新の研究で、小坂と同僚は、レーザーを特定のNV中心に集中させることにより、彼らの技術の部位選択性を最初に実証しました。 これにより、システム全体が適切な周波数のマイクロ波によって駆動されたときに他のサイトが応答しないように、そのサイトの遷移周波数が変更されます。 この技術を使用して、チームは、マイクロ波によって照らされたはるかに広い領域ではなく、数百ナノメートルの領域にスポットライトを当てることができました。
このようにサイトを選択することで、研究者はパウリ-X、Y、および Z ホロノミック ゲート操作を高い忠実度 (90% 以上) で実装できることを示しました。 ゲート忠実度は、実装されたゲートの性能が理想的なゲートにどれだけ近いかを示す尺度です。 彼らは、電力の不均一性に対してプロトコルを堅牢にする、その位相をその間で反転させるマイクロ波パルスを使用します。 また、同程度の時間のゲート操作を行った後でも、約 3 ms のスピンコヒーレンス時間が維持されることを示しています。
量子メモリとネットワーク
電子スピン状態に加えて、NV センターには、窒素原子核に関連するアクセス可能な核スピン状態もあります。 室温でも、環境から隔離されているため、これらの状態は非常に長生きします。 その結果、NV中心の核スピン状態は、量子情報を長期間保存するための量子メモリとして使用できます。 これは、熱ノイズを克服するためにサブミリケルビンの温度にする必要があり、環境との相互作用によって引き起こされるデコヒーレンスの影響を受けやすい超伝導回路に基づくキュービットとは異なります。
高解像度のダイヤモンド センサーが心臓の電流をマッピング
小坂らは、NV中心で電子スピンと核スピンの間にエンタングルメントを生成することにも成功しました。 これにより、入射光子から NV センターの電子スピンへ、さらに核スピン量子メモリへの量子情報の転送が可能になります。 このような機能は、光子を使用して量子ネットワーク内の同じシステムまたは異なるシステム内のキュービット間で情報を転送できる分散処理にとって重要です。
書き込む Nature Photonicsの、研究者は、光学アドレス指定プロセスを変更することで、空間分解能を改善し、複数のNVセンター間のコヒーレントな相互作用を利用できるはずだと述べています。 いくつかの異なる技術を組み合わせることで、「10,000×10×10 µm で 10 を超える量子ビットへの選択的アクセスが可能になる可能性があります。3 大規模な量子ストレージへの道を開く」. 小坂氏によると、彼のグループは現在、近くの XNUMX つの NV センターを使用して XNUMX つのキュービット ゲートを作成するという挑戦的なタスクに取り組んでいます。
