En teknikk for å adressere individuelle elektroniske og kjernefysiske spinn i en diamantkrystall er utviklet av forskere i Japan. Ordningen kombinerer optiske og mikrobølgeprosesser og kan føre til etablering av storskala systemer for lagring og prosessering av kvanteinformasjon.
Elektroniske og kjernefysiske spinn i noen solid-state krystaller er lovende plattformer for storskala kvantedatamaskiner og minner. Disse spinnene samhandler svakt med det lokale miljøet ved romtemperatur, noe som betyr at de kan fungere som kvantebiter (qubits) som lagrer kvanteinformasjon i svært lang tid. Videre kan slike spinn kontrolleres uten betydelige tap. Vanligvis reagerer spinnene på både optisk lys og mikrobølger. Optisk lys er bra for romlig presisjon i å adressere individuelle spinn på grunn av dets kortere bølgelengder. De lengre mikrobølgene gir derimot mer nøyaktig kontroll over alle spinnene i en krystall uten romlig oppløsning.
Nå, Hideo Kosaka og kolleger ved Yokohama National University i Japan har utviklet en måte å håndtere individuelle spinn som kombinerer styrken til både optisk og mikrobølgekontroll. De brukte mikrobølger for å kontrollere individuelle spinn i diamant ved å presist "spotlighte" dem ved hjelp av optisk lys. De demonstrerte stedselektive operasjoner for informasjonsbehandling og genererte sammenfiltring mellom elektroniske og kjernefysiske spinn for informasjonsoverføring.
Diamond NV sentre
For sine spinn brukte teamet nitrogen-vacancy (NV) sentre i en diamantkrystall. Disse oppstår når to nabokarbonatomer i et diamantgitter erstattes med et nitrogenatom og et ledig sted. Grunntilstanden til et NV-senter er et spin-1 elektronisk system som kan brukes som en qubit for å kode informasjon.
For å utføre beregninger, må man kunne endre spinntilstanden til qubitene på en kontrollert måte. For en enkelt qubit er det tilstrekkelig å ha et sett med fire kardinaloperasjoner for å gjøre dette. Dette er identitetsoperasjonen og Pauli X, Y, Z-portene, som roterer staten om de tre aksene til Bloch-sfæren.
Universelle holonomiske porter
Disse operasjonene kan implementeres ved å bruke dynamisk evolusjon, der et to-nivå system drives av et felt ved eller nær resonans med overgangen til å "rotere" qubiten til ønsket tilstand. En annen måte er å implementere en holonomisk gate, hvor fasen til en tilstand i en større basis endres slik at den har effekten av ønsket gate på to-nivå qubit subspace. Sammenlignet med dynamisk evolusjon, anses denne metoden som mer robust overfor dekoherensmekanismer fordi den ervervede fasen ikke avhenger av den eksakte evolusjonsbanen til den større staten.
I denne siste forskningen demonstrerer Kosaka og kolleger først stedselektiviteten til teknikken deres ved å fokusere en laser på et spesifikt NV-senter. Dette endrer overgangsfrekvensen på det stedet slik at ingen andre steder reagerer når hele systemet drives av mikrobølger med riktig frekvens. Ved å bruke denne teknikken var teamet i stand til å sette søkelyset på regioner noen hundre nanometer på tvers, i stedet for de mye større områdene som ble opplyst av mikrobølgene.
Ved å velge nettsteder på denne måten, viste forskerne at de kunne implementere Pauli-X, Y og Z holonomiske portoperasjoner med god troskap (større enn 90 %). Gatefidelitet er et mål på hvor nær ytelsen til den implementerte porten er en ideell port. De bruker en mikrobølgepuls som snur fasen imellom, noe som gjør protokollene robuste mot ulikheter i kraft. De viser også at en spinnkoherenstid på ca. 3 ms opprettholdes selv etter portoperasjoner som tar sammenlignbar tid.
Kvanteminner og nettverk
I tillegg til de elektroniske spinntilstandene har et NV-senter også tilgjengelige kjernespinntilstander knyttet til nitrogenkjernen. Selv ved romtemperatur har disse tilstandene ekstremt lang levetid på grunn av deres isolasjon fra miljøet. Som et resultat kan NV-senterets kjernefysiske spinntilstander brukes som kvanteminner for lagring av kvanteinformasjon over lengre tid. Dette er i motsetning til qubits basert på superledende kretser, som må være ved sub millikelvin-temperaturer for å overvinne termisk støy og er mer utsatt for dekoherens forårsaket av interaksjoner med miljøet.
Høyoppløselig diamantsensor kartlegger elektriske strømmer i hjertet
Kosaka og kollegene var også i stand til å generere sammenfiltring mellom et elektronisk spinn og et kjernefysisk spinn i NV-senteret. Dette muliggjør overføring av kvanteinformasjon fra et innfallende foton til NV-senterets elektroniske spinn og deretter videre til kjernespinn-kvanteminnet. En slik evne er kritisk for distribuert prosessering der fotonene kan brukes til å overføre informasjon mellom qubits i samme eller forskjellige systemer i et kvantenettverk.
Skriver inn Nature Photonics, sier forskerne at med modifikasjoner av deres optiske adresseringsprosess, bør det være mulig å forbedre den romlige oppløsningen og også gjøre bruk av sammenhengende interaksjoner mellom flere NV-sentre. Å kombinere noen få forskjellige teknikker kan muliggjøre "selektiv tilgang til mer enn 10,000 10 qubits i en 10×10×XNUMX µm3 volum, og baner vei for storskala kvantelagring”. Kosaka sier at gruppen hans nå jobber med den utfordrende oppgaven med å lage to qubit-porter ved å bruke to nærliggende NV-sentre.
