Uma técnica para abordar spins eletrônicos e nucleares individuais em um cristal de diamante foi desenvolvida por pesquisadores no Japão. O esquema combina processos ópticos e de micro-ondas e poderá levar à criação de sistemas em grande escala para armazenamento e processamento de informação quântica.
Os spins eletrônicos e nucleares em alguns cristais de estado sólido são plataformas promissoras para computadores e memórias quânticas em grande escala. Esses spins interagem fracamente com seu ambiente local à temperatura ambiente, o que significa que podem operar como bits quânticos (qubits) que armazenam informações quânticas por períodos muito longos. Além disso, tais rotações podem ser controladas sem perdas significativas. Normalmente, os spins respondem tanto à luz óptica quanto às microondas. A luz óptica é boa para precisão espacial no tratamento de spins individuais devido aos seus comprimentos de onda mais curtos. As microondas mais longas, por outro lado, fornecem controle de maior fidelidade de todos os spins em um cristal ao custo de nenhuma resolução espacial.
Agora, Hideo Kosaka e colegas da Universidade Nacional de Yokohama, no Japão, desenvolveram uma maneira de lidar com rotações individuais que combina os pontos fortes do controle óptico e de micro-ondas. Eles usaram microondas para controlar os giros individuais do diamante, “iluminando-os” com precisão usando luz óptica. Eles demonstraram operações seletivas de locais para processamento de informações e geraram emaranhados entre spins eletrônicos e nucleares para transferência de informações.
Centros Diamond NV
Para seus giros, a equipe usou centros de vacância de nitrogênio (NV) em um cristal de diamante. Isso ocorre quando dois átomos de carbono vizinhos em uma rede de diamante são substituídos por um átomo de nitrogênio e um sítio vago. O estado fundamental de um centro NV é um sistema eletrônico de spin-1 que pode ser usado como um qubit para codificar informações.
Para realizar a computação, é necessário ser capaz de alterar o estado de rotação dos qubits de maneira controlada. Para um único qubit, é suficiente ter um conjunto de quatro operações cardinais para fazer isso. Estas são a operação de identidade e as portas Pauli X, Y, Z, que giram o estado em torno dos três eixos da esfera de Bloch.
Portões holonômicos universais
Essas operações podem ser implementadas usando evolução dinâmica, onde um sistema de dois níveis é acionado por um campo em ressonância ou próximo a ela com a transição para “girar” o qubit para o estado desejado. Outra forma é implementar uma porta holonômica, onde a fase de um estado em uma base maior é alterada para que tenha o efeito da porta desejada no subespaço qubit de dois níveis. Comparado à evolução dinâmica, este método é considerado mais robusto para mecanismos de decoerência porque a fase adquirida não depende do caminho exato de evolução do estado maior.
Nesta última pesquisa, Kosaka e colegas demonstram pela primeira vez a seletividade do local da sua técnica, concentrando um laser num centro NV específico. Isto altera a frequência de transição naquele local de modo que nenhum outro local responda quando todo o sistema é acionado por microondas na frequência correta. Usando esta técnica, a equipe conseguiu destacar regiões com algumas centenas de nanômetros de diâmetro, em vez de áreas muito maiores iluminadas pelas microondas.
Ao selecionar os locais desta forma, os pesquisadores mostraram que poderiam implementar as operações das portas holonômicas Pauli-X, Y e Z com boa fidelidade (superior a 90%). A fidelidade da porta é uma medida de quão próximo o desempenho da porta implementada está de uma porta ideal. Eles usam um pulso de micro-ondas que inverte sua fase intermediária, o que torna os protocolos robustos a não uniformidades de potência. Eles também mostram que um tempo de coerência de spin de cerca de 3 ms é mantido mesmo após operações de gate que levam um tempo comparável.
Memórias e redes quânticas
Além dos estados de spin eletrônico, um centro NV também possui estados de spin nuclear acessíveis associados ao núcleo de nitrogênio. Mesmo à temperatura ambiente, estes estados são extremamente duradouros devido ao seu isolamento do ambiente. Como resultado, os estados de spin nuclear do centro NV podem ser usados como memórias quânticas para armazenamento de informações quânticas por longos períodos. Isso é diferente dos qubits baseados em circuitos supercondutores, que precisam estar em temperaturas abaixo de milikelvin para superar o ruído térmico e são mais suscetíveis à decoerência causada por interações com o ambiente.
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Kosaka e colegas também conseguiram gerar um emaranhado entre um spin eletrônico e um spin nuclear no centro NV. Isto permite a transferência de informação quântica de um fóton incidente para o spin eletrônico do centro NV e depois para a memória quântica de spin nuclear. Tal capacidade é crítica para o processamento distribuído, onde os fótons podem ser usados para transferir informações entre qubits no mesmo sistema ou em sistemas diferentes em uma rede quântica.
Escrevendo em Nature Photonics, os pesquisadores afirmam que com modificações em seu processo de endereçamento óptico, deverá ser possível melhorar sua resolução espacial e também fazer uso de interações coerentes entre múltiplos centros NV. A combinação de algumas técnicas diferentes poderia permitir “acesso seletivo a mais de 10,000 qubits em um tamanho 10×10×10 µm3 volume, abrindo caminho para o armazenamento quântico em grande escala”. Kosaka diz que seu grupo está agora trabalhando na desafiadora tarefa de fazer dois portões qubit usando dois centros NV próximos.
