Исследователи из Японии разработали метод адресации отдельных электронных и ядерных спинов в кристалле алмаза. Схема объединяет оптические и микроволновые процессы и может привести к созданию крупномасштабных систем хранения и обработки квантовой информации.
Электронные и ядерные спины в некоторых твердотельных кристаллах являются многообещающими платформами для крупномасштабных квантовых компьютеров и памяти. Эти спины слабо взаимодействуют со своим локальным окружением при комнатной температуре, а это означает, что они могут работать как квантовые биты (кубиты), хранящие квантовую информацию в течение очень долгого времени. Кроме того, такими спинами можно управлять без существенных потерь. Обычно спины реагируют как на оптический свет, так и на микроволны. Оптический свет хорош для пространственной точности при обращении к отдельным спинам из-за его более коротких длин волн. С другой стороны, более длинные микроволны обеспечивают более точное управление всеми спинами в кристалле за счет отсутствия пространственного разрешения.
Теперь, Хидео Косака и коллеги из Йокогамского национального университета в Японии разработали способ обработки отдельных спинов, который сочетает в себе сильные стороны как оптического, так и микроволнового контроля. Они использовали микроволны для управления отдельными вращениями в алмазе, точно «подсвечивая» их с помощью оптического света. Они продемонстрировали избирательные операции обработки информации и создали запутанность между электронными и ядерными спинами для передачи информации.
Центры Diamond NV
Для своих спинов команда использовала азотно-вакансионные (NV) центры в кристалле алмаза. Это происходит, когда два соседних атома углерода в решетке алмаза заменяются атомом азота и вакантным узлом. Основное состояние NV-центра представляет собой электронную систему со спином 1, которую можно использовать в качестве кубита для кодирования информации.
Для выполнения вычислений необходимо иметь возможность контролируемым образом изменять спиновое состояние кубитов. Для одного кубита для этого достаточно иметь набор из четырех кардинальных операций. Это операция тождества и вентили Паули X, Y, Z, которые вращают состояние вокруг трех осей блоховской сферы.
Универсальные голономные ворота
Эти операции могут быть реализованы с помощью динамической эволюции, когда двухуровневая система управляется полем в резонансе или вблизи него с переходом на «поворот» кубита в желаемое состояние. Другой способ — реализовать голономный вентиль, в котором фаза состояния в более широком базисе изменяется так, чтобы он имел эффект желаемого вентиля на двухуровневом подпространстве кубитов. По сравнению с динамической эволюцией этот метод считается более устойчивым к механизмам декогеренции, поскольку приобретаемая фаза не зависит от точного пути эволюции более крупного состояния.
В этом последнем исследовании Косака и его коллеги впервые продемонстрировали селективность своего метода, фокусируя лазер на определенном центре NV. Это изменяет частоту перехода на этом сайте таким образом, что никакие другие сайты не реагируют, когда вся система управляется микроволнами на нужной частоте. Используя эту технику, команда смогла осветить области размером в несколько сотен нанометров, а не гораздо большие области, освещенные микроволнами.
Выбирая сайты таким образом, исследователи показали, что они могут реализовать операции голономных ворот Паули-X, Y и Z с хорошей точностью (более 90%). Точность ворот — это мера того, насколько производительность реализованных ворот близка к идеальным. Они используют микроволновый импульс, который переворачивает свою фазу между ними, что делает протоколы устойчивыми к неравномерности мощности. Они также показывают, что время спиновой когерентности около 3 мс сохраняется даже после операций затвора, которые занимают сопоставимое время.
Квантовая память и сети
В дополнение к электронным спиновым состояниям NV-центр также имеет доступные ядерные спиновые состояния, связанные с ядром азота. Даже при комнатной температуре эти состояния чрезвычайно долгоживущие из-за их изоляции от окружающей среды. В результате состояния ядерного спина NV-центра могут использоваться в качестве квантовой памяти для хранения квантовой информации в течение длительного времени. Это не похоже на кубиты, основанные на сверхпроводящих схемах, которые должны иметь температуру ниже милликельвина, чтобы преодолеть тепловой шум, и более подвержены декогеренции, вызванной взаимодействием с окружающей средой.
Алмазный датчик высокого разрешения отображает электрические токи в сердце
Косака и его коллеги также смогли создать запутанность между электронным спином и ядерным спином в центре NV. Это позволяет передавать квантовую информацию от падающего фотона к электронному спину NV-центра, а затем к квантовой памяти ядерного спина. Такая возможность имеет решающее значение для распределенной обработки, когда фотоны могут использоваться для передачи информации между кубитами в одной и той же или разных системах в квантовой сети.
Запись в Nature Photonics, исследователи говорят, что с модификациями их процесса оптической адресации можно будет улучшить его пространственное разрешение, а также использовать когерентные взаимодействия между несколькими центрами NV. Комбинация нескольких различных методов может обеспечить «выборочный доступ к более чем 10,000 10 кубитов в 10×10×XNUMX мкм».3 объем, прокладывая путь к крупномасштабному квантовому хранилищу». Косака говорит, что его группа сейчас работает над сложной задачей создания двух кубитовых вентилей с использованием двух соседних NV-центров.
