Naukowcy z Japonii opracowali technikę zajmowania się pojedynczymi spinami elektronowymi i jądrowymi w krysztale diamentu. Schemat łączy procesy optyczne i mikrofalowe i może doprowadzić do stworzenia wielkoskalowych systemów przechowywania i przetwarzania informacji kwantowych.
Spiny elektronowe i jądrowe w niektórych kryształach półprzewodnikowych są obiecującymi platformami dla wielkoskalowych komputerów kwantowych i pamięci. Spiny te słabo oddziałują ze swoim lokalnym środowiskiem w temperaturze pokojowej, co oznacza, że mogą działać jako bity kwantowe (kubity), które przechowują informacje kwantowe przez bardzo długi czas. Co więcej, takie spiny można kontrolować bez znacznych strat. Zazwyczaj spiny reagują zarówno na światło optyczne, jak i na mikrofale. Światło optyczne jest dobre dla precyzji przestrzennej w adresowaniu poszczególnych spinów ze względu na krótsze długości fal. Z drugiej strony, dłuższe mikrofale zapewniają większą dokładność kontroli wszystkich spinów w krysztale kosztem braku rozdzielczości przestrzennej.
Teraz, Hideo Kosaka wraz z kolegami z Yokohama National University w Japonii opracowali sposób radzenia sobie z pojedynczymi spinami, który łączy w sobie zalety kontroli optycznej i mikrofalowej. Wykorzystali mikrofale do kontrolowania poszczególnych spinów diamentu poprzez precyzyjne „oświetlanie” ich za pomocą światła optycznego. Zademonstrowali operacje selektywne względem miejsca przetwarzania informacji i wygenerowali splątanie między spinami elektronicznymi i jądrowymi w celu przesyłania informacji.
Centra Diamond NV
Do swoich spinów zespół wykorzystał centra azot-wakancja (NV) w krysztale diamentu. Występują one, gdy dwa sąsiednie atomy węgla w sieci diamentowej są zastąpione atomem azotu i wolnym miejscem. Stan podstawowy centrum NV to elektroniczny system spin-1, który może być używany jako kubit do kodowania informacji.
Aby wykonać obliczenia, trzeba mieć możliwość kontrolowanej zmiany stanu wirowania kubitów. W przypadku pojedynczego kubitu wystarczy do tego zestaw czterech operacji kardynalnych. Są to operacje tożsamości i bramki Pauli X, Y, Z, które obracają stan wokół trzech osi sfery Blocha.
Uniwersalne bramki holonomiczne
Operacje te można zaimplementować za pomocą dynamicznej ewolucji, w której dwupoziomowy system jest sterowany przez pole w rezonansie lub w pobliżu rezonansu z przejściem w celu „obrócenia” kubitu do pożądanego stanu. Innym sposobem jest zaimplementowanie bramki holonomicznej, w której faza stanu w większej podstawie jest zmieniana tak, że ma efekt pożądanej bramki na dwupoziomową podprzestrzeń kubitową. W porównaniu z dynamiczną ewolucją, ta metoda jest uważana za bardziej odporną na mechanizmy dekoherencji, ponieważ uzyskana faza nie zależy od dokładnej ścieżki ewolucji większego stanu.
W tych najnowszych badaniach Kosaka i współpracownicy najpierw zademonstrowali selektywność miejsca swojej techniki, skupiając laser w określonym ośrodku NV. Zmienia to częstotliwość przejścia w tym miejscu tak, że żadne inne miejsce nie reaguje, gdy cały system jest napędzany przez mikrofale o odpowiedniej częstotliwości. Korzystając z tej techniki, zespół był w stanie oświetlić regiony o średnicy kilkuset nanometrów zamiast znacznie większych obszarów oświetlanych przez mikrofale.
Wybierając miejsca w ten sposób, naukowcy wykazali, że mogą zaimplementować operacje bram holonomicznych Pauli-X, Y i Z z dobrą wiernością (powyżej 90%). Wierność bramek jest miarą tego, jak bardzo zbliżona jest wydajność zaimplementowanej bramki do idealnej bramki. Wykorzystują impuls mikrofalowy, który przełącza fazę pomiędzy nimi, co sprawia, że protokoły są odporne na niejednorodność mocy. Pokazują również, że czas koherencji spinu wynoszący około 3 ms jest utrzymywany nawet po operacjach bramek, które zajmują porównywalny czas.
Pamięci i sieci kwantowe
Oprócz stanów spinu elektronowego ośrodek NV ma również dostępne stany spinu jądrowego związane z jądrem azotu. Nawet w temperaturze pokojowej stany te żyją niezwykle długo ze względu na ich izolację od środowiska. W rezultacie stany spinu jądrowego w centrum NV mogą być wykorzystywane jako pamięci kwantowe do przechowywania informacji kwantowych przez długi czas. W przeciwieństwie do kubitów opartych na obwodach nadprzewodzących, które muszą mieć temperaturę poniżej milikelwina, aby przezwyciężyć szum termiczny i są bardziej podatne na dekoherencję wywołaną interakcjami z otoczeniem.
Czujnik diamentowy o wysokiej rozdzielczości odwzorowuje prądy elektryczne w sercu
Kosaka i jego koledzy byli również w stanie wygenerować splątanie między spinem elektronowym a spinem jądrowym w centrum NV. Umożliwia to transfer informacji kwantowych z padającego fotonu do elektronowego spinu centrum NV, a następnie do pamięci kwantowej o spinie jądrowym. Taka zdolność ma kluczowe znaczenie dla przetwarzania rozproszonego, w którym fotony mogą być wykorzystywane do przesyłania informacji między kubitami w tym samym lub różnych systemach w sieci kwantowej.
Pisanie w Nature Photonics, naukowcy twierdzą, że dzięki modyfikacjom ich procesu adresowania optycznego powinno być możliwe poprawienie rozdzielczości przestrzennej, a także wykorzystanie spójnych interakcji między wieloma centrami NV. Połączenie kilku różnych technik może umożliwić „selektywny dostęp do ponad 10,000 10 kubitów w 10×10×XNUMX µm3 objętość, torując drogę do przechowywania kwantowego na dużą skalę”. Kosaka mówi, że jego grupa pracuje teraz nad trudnym zadaniem stworzenia dwóch bramek kubitowych przy użyciu dwóch pobliskich centrów NV.
