Raziskovalci na Japonskem so razvili tehniko za obravnavanje posameznih elektronskih in jedrskih vrtljajev v kristalu diamanta. Shema združuje optične in mikrovalovne procese in bi lahko vodila do ustvarjanja obsežnih sistemov za shranjevanje in obdelavo kvantnih informacij.
Elektronski in jedrski vrti v nekaterih trdnih kristalih so obetavne platforme za obsežne kvantne računalnike in spomine. Ti vrtljaji slabo delujejo s svojim lokalnim okoljem pri sobni temperaturi, kar pomeni, da lahko delujejo kot kvantni biti (qubiti), ki shranjujejo kvantne informacije zelo dolgo. Poleg tega je takšne vrtljaje mogoče nadzorovati brez večjih izgub. Običajno se vrtljaji odzivajo na optično svetlobo in mikrovalove. Optična svetloba je dobra za prostorsko natančnost pri obravnavanju posameznih vrtljajev zaradi krajših valovnih dolžin. Po drugi strani pa daljši mikrovalovi zagotavljajo natančnejši nadzor vseh vrtljajev v kristalu za ceno brez prostorske ločljivosti.
zdaj, Hideo Kosaka in kolegi na Nacionalni univerzi Yokohama na Japonskem so razvili način za obravnavanje posameznih vrtljajev, ki združuje prednosti optičnega in mikrovalovnega nadzora. Uporabili so mikrovalove za nadzor posameznih vrtljajev v diamantu tako, da so jih natančno "osvetlili" z optično svetlobo. Prikazali so selektivne operacije na mestih za obdelavo informacij in ustvarili prepletenost med elektronskimi in jedrskimi vrtljaji za prenos informacij.
Diamond NV centri
Za vrtenje je ekipa uporabila centre dušikovih prostih delov (NV) v kristalu diamanta. Te se zgodijo, ko sta dva sosednja atoma ogljika v diamantni mreži zamenjana z atomom dušika in praznim mestom. Osnovno stanje centra NV je elektronski sistem spin-1, ki se lahko uporablja kot kubit za kodiranje informacij.
Za izvedbo računanja je treba biti sposoben nadzorovano spremeniti stanje vrtenja kubitov. Za en sam kubit zadošča niz štirih kardinalnih operacij. To so operacija identitete in vrata Pauli X, Y, Z, ki vrtijo stanje okoli treh osi Blochove sfere.
Univerzalna holonomska vrata
Te operacije je mogoče izvesti z uporabo dinamične evolucije, kjer dvonivojski sistem poganja polje pri resonanci ali blizu nje s prehodom, da "zasuče" kubit v želeno stanje. Drug način je implementacija holonomskih vrat, kjer se faza stanja v večji bazi spremeni tako, da ima učinek želenih vrat na dvonivojski kubitni podprostor. V primerjavi z dinamično evolucijo se ta metoda šteje za bolj robustno za mehanizme dekoherence, ker pridobljena faza ni odvisna od natančne evolucijske poti večjega stanja.
V tej najnovejši raziskavi Kosaka in sodelavci najprej pokažejo selektivnost svoje tehnike glede na lokacijo z osredotočenjem laserja na določen NV center. To spremeni prehodno frekvenco na tem mestu tako, da se nobeno drugo mesto ne odzove, ko celoten sistem poganjajo mikrovalovi na pravi frekvenci. S to tehniko je ekipa lahko osvetlila področja s premerom nekaj sto nanometrov, namesto veliko večjih območij, osvetljenih z mikrovalovi.
S tem načinom izbire lokacij so raziskovalci pokazali, da lahko izvajajo operacije holonomskih vrat Pauli-X, Y in Z z dobro zvestobo (več kot 90 %). Zvestoba vrat je merilo, kako blizu je zmogljivost implementiranih vrat idealnim vratom. Uporabljajo mikrovalovni impulz, ki obrne svojo fazo vmes, zaradi česar so protokoli robustni za neenakomerne moči. Prav tako kažejo, da se koherenčni čas vrtenja približno 3 ms ohrani tudi po operacijah vrat, ki trajajo primerljivo.
Kvantni spomini in mreže
Poleg elektronskih spinskih stanj ima NV-center dostopna tudi jedrska spinska stanja, povezana z jedrom dušika. Tudi pri sobni temperaturi so ta stanja zaradi izolacije od okolja izredno dolgotrajna. Posledično se lahko jedrska vrtilna stanja NV-centra uporabljajo kot kvantni pomnilniki za dolgoročno shranjevanje kvantnih informacij. To je za razliko od kubitov, ki temeljijo na superprevodnih vezjih, ki morajo biti pri temperaturah pod milikelvini, da premagajo toplotni šum in so bolj dovzetni za dekoherenco, ki jo povzroči interakcija z okoljem.
Diamantni senzor visoke ločljivosti preslikava električne tokove v srcu
Kosaka in sodelavci so lahko ustvarili tudi prepletanje med elektronskim vrtenjem in jedrskim vrtenjem v središču NV. To omogoča prenos kvantnih informacij od vpadnega fotona do elektronskega vrtenja središča NV in nato naprej do kvantnega pomnilnika jedrskega vrtenja. Takšna zmožnost je ključnega pomena za porazdeljeno obdelavo, kjer je mogoče fotone uporabiti za prenos informacij med kubiti v istem ali različnih sistemih v kvantnem omrežju.
Pisanje v Narava fotonika, raziskovalci pravijo, da bi moralo biti s spremembami njihovega procesa optičnega naslavljanja mogoče izboljšati njegovo prostorsko ločljivost in uporabiti tudi koherentne interakcije med več NV centri. Kombinacija nekaj različnih tehnik bi lahko omogočila »selektiven dostop do več kot 10,000 kubitov v 10×10×10 µm3 prostornine, ki utira pot obsežnemu kvantnemu shranjevanju«. Kosaka pravi, da njegova skupina zdaj dela na zahtevni nalogi izdelave dveh kubitnih vrat z uporabo dveh bližnjih NV-centrov.
