Onderzoekers in Japan hebben een techniek ontwikkeld om individuele elektronische en nucleaire spins in een diamantkristal aan te pakken. Het schema combineert optische en microgolfprocessen en zou kunnen leiden tot het creëren van grootschalige systemen voor de opslag en verwerking van kwantuminformatie.
Elektronische en nucleaire spins in sommige vastestofkristallen zijn veelbelovende platforms voor grootschalige kwantumcomputers en geheugens. Deze spins hebben een zwakke wisselwerking met hun lokale omgeving bij kamertemperatuur, wat betekent dat ze kunnen werken als kwantumbits (qubits) die kwantuminformatie zeer lang opslaan. Bovendien kunnen dergelijke spins worden gecontroleerd zonder noemenswaardige verliezen. Typisch reageren de spins op zowel optisch licht als microgolven. Optisch licht is goed voor ruimtelijke precisie bij het aanpakken van individuele spins vanwege de kortere golflengten. De langere microgolven daarentegen zorgen voor een nauwkeurigere controle van alle spins in een kristal zonder dat er ruimtelijke resolutie is.
Nu, Hideo Kosaka en collega's van de Yokohama National University in Japan hebben een manier ontwikkeld om individuele spins aan te pakken die de sterke punten van zowel optische als microgolfbesturing combineert. Ze gebruikten microgolven om individuele spins in diamant te regelen door ze nauwkeurig te "belichten" met optisch licht. Ze demonstreerden locatieselectieve operaties voor informatieverwerking en genereerden verstrengeling tussen elektronische en nucleaire spins voor informatieoverdracht.
Diamant NV-centra
Voor zijn spins gebruikte het team stikstof-vacature (NV) centra in een diamantkristal. Deze treden op wanneer twee naburige koolstofatomen in een diamantrooster worden vervangen door een stikstofatoom en een lege plaats. De grondtoestand van een NV-centrum is een spin-1 elektronisch systeem dat kan worden gebruikt als een qubit om informatie te coderen.
Om berekeningen uit te voeren, moet men in staat zijn om de spin-status van de qubits op een gecontroleerde manier te veranderen. Voor een enkele qubit is het voldoende om een set van vier kardinale bewerkingen te hebben om dit te doen. Dit zijn de identiteitsoperatie en de Pauli X-, Y-, Z-poorten, die de toestand rond de drie assen van de Bloch-bol roteren.
Universele holonomische poorten
Deze bewerkingen kunnen worden geïmplementeerd door dynamische evolutie te gebruiken, waarbij een systeem met twee niveaus wordt aangedreven door een veld op of nabij resonantie met de overgang om de qubit naar de gewenste toestand te "draaien". Een andere manier is om een holonomische poort te implementeren, waarbij de fase van een toestand in een grotere basis wordt gewijzigd, zodat deze het effect heeft van de gewenste poort op de qubit-subruimte met twee niveaus. In vergelijking met dynamische evolutie wordt deze methode als robuuster beschouwd voor decoherentiemechanismen omdat de verkregen fase niet afhankelijk is van het exacte evolutiepad van de grotere staat.
In dit laatste onderzoek demonstreren Kosaka en collega's eerst de locatieselectiviteit van hun techniek door een laser te focussen op een specifiek NV-centrum. Dit verandert de overgangsfrequentie op die locatie zodanig dat geen enkele andere locatie reageert wanneer het hele systeem wordt aangedreven door microgolven met de juiste frequentie. Met behulp van deze techniek was het team in staat om regio's met een diameter van een paar honderd nanometer te belichten in plaats van de veel grotere gebieden die door de microgolven worden verlicht.
Door sites op deze manier te selecteren, toonden de onderzoekers aan dat ze de Pauli-X, Y en Z holonomische poortoperaties met goede trouw (meer dan 90%) konden implementeren. Gate-fidelity is een maatstaf voor hoe dicht de prestatie van de geïmplementeerde gate bij een ideale gate ligt. Ze gebruiken een microgolfpuls die de fase ertussen omdraait, waardoor de protocollen robuust zijn voor niet-uniformiteiten in vermogen. Ze laten ook zien dat een spincoherentietijd van ongeveer 3 ms wordt gehandhaafd, zelfs na poortoperaties die een vergelijkbare tijd in beslag nemen.
Kwantumgeheugens en netwerken
Naast de elektronische spintoestanden heeft een NV-centrum ook toegankelijke kernspintoestanden geassocieerd met de stikstofkern. Zelfs bij kamertemperatuur gaan deze toestanden extreem lang mee vanwege hun isolatie van de omgeving. Als gevolg hiervan kunnen de kernspintoestanden van het NV-centrum worden gebruikt als kwantumgeheugens voor langdurige opslag van kwantuminformatie. Dit is in tegenstelling tot qubits die zijn gebaseerd op supergeleidende circuits, die op een temperatuur van minder dan millikelvin moeten zijn om thermische ruis te overwinnen en die gevoeliger zijn voor decoherentie veroorzaakt door interacties met de omgeving.
Diamantsensor met hoge resolutie brengt elektrische stromen in het hart in kaart
Kosaka en collega's waren ook in staat om verstrengeling te genereren tussen een elektronische spin en een nucleaire spin in het NV-centrum. Dit maakt de overdracht van kwantuminformatie van een invallend foton naar de elektronische spin van het NV-centrum en vervolgens naar het kwantumgeheugen van de kernspin mogelijk. Een dergelijke mogelijkheid is van cruciaal belang voor gedistribueerde verwerking waarbij de fotonen kunnen worden gebruikt om informatie over te dragen tussen qubits in dezelfde of verschillende systemen in een kwantumnetwerk.
Schrijven in Natuur Fotonica, zeggen de onderzoekers dat het met aanpassingen aan hun optische adresseringsproces mogelijk moet zijn om de ruimtelijke resolutie te verbeteren en ook gebruik te maken van coherente interacties tussen meerdere NV-centra. Door een paar verschillende technieken te combineren, zou "selectieve toegang tot meer dan 10,000 qubits in een 10×10×10 µm3 volume, wat de weg vrijmaakt voor grootschalige kwantumopslag”. Kosaka zegt dat zijn groep nu werkt aan de uitdagende taak om twee qubit-poorten te maken met behulp van twee nabijgelegen NV-centra.
