En teknik för att adressera individuella elektroniska och nukleära snurr i en diamantkristall har utvecklats av forskare i Japan. Systemet kombinerar optiska och mikrovågsprocesser och kan leda till skapandet av storskaliga system för lagring och bearbetning av kvantinformation.
Elektroniska och nukleära spinn i vissa solid-state kristaller är lovande plattformar för storskaliga kvantdatorer och minnen. Dessa snurr interagerar svagt med sin lokala miljö vid rumstemperatur, vilket innebär att de kan fungera som kvantbitar (qubits) som lagrar kvantinformation under mycket långa tider. Dessutom kan sådana snurr kontrolleras utan betydande förluster. Vanligtvis svarar snurrarna på både optiskt ljus och mikrovågor. Optiskt ljus är bra för rumslig precision vid adressering av individuella snurr på grund av dess kortare våglängder. De längre mikrovågorna, å andra sidan, ger bättre kontroll över alla snurr i en kristall till priset av ingen rumslig upplösning.
Nu, Hideo Kosaka och kollegor vid Yokohama National University i Japan har utvecklat ett sätt att hantera individuella snurr som kombinerar styrkorna med både optisk kontroll och mikrovågskontroll. De använde mikrovågor för att kontrollera individuella spinn i diamanter genom att exakt "belysa" dem med optiskt ljus. De demonstrerade platsselektiva operationer för informationsbearbetning och genererade intrassling mellan elektroniska och nukleära spinn för informationsöverföring.
Diamond NV centrum
För sina snurr använde teamet kväve-vakans (NV) centra i en diamantkristall. Dessa uppstår när två angränsande kolatomer i ett diamantgitter ersätts med en kväveatom och en ledig plats. Grundtillståndet för ett NV-center är ett spin-1 elektroniskt system som kan användas som en qubit för att koda information.
För att utföra beräkningar måste man kunna ändra spintillståndet för qubitarna på ett kontrollerat sätt. För en enda qubit räcker det med en uppsättning av fyra kardinaloperationer för att göra detta. Dessa är identitetsoperationen och Pauli X, Y, Z-portarna, som roterar tillståndet kring Bloch-sfärens tre axlar.
Universal holonomiska grindar
Dessa operationer kan implementeras genom att använda dynamisk evolution, där ett tvånivåsystem drivs av ett fält vid eller nära resonans med övergången för att "rotera" qubiten till önskat tillstånd. Ett annat sätt är att implementera en holonomisk grind, där fasen för ett tillstånd i en större bas ändras så att den har effekten av den önskade grinden på två-nivå qubit subspace. Jämfört med dynamisk evolution anses denna metod vara mer robust mot dekoherensmekanismer eftersom den förvärvade fasen inte beror på den exakta utvecklingsvägen för det större tillståndet.
I denna senaste forskning demonstrerar Kosaka och kollegor först platsselektiviteten hos deras teknik genom att fokusera en laser på ett specifikt NV-center. Detta ändrar övergångsfrekvensen på den platsen så att ingen annan plats svarar när hela systemet drivs av mikrovågor vid rätt frekvens. Med den här tekniken kunde teamet belysa regioner några hundra nanometer tvärs över, snarare än de mycket större områdena upplysta av mikrovågorna.
Genom att välja platser på detta sätt visade forskarna att de kunde implementera Pauli-X, Y och Z holonomiska grindoperationer med god trohet (mer än 90%). Gatefidelity är ett mått på hur nära prestandan för den implementerade grinden är en idealisk grind. De använder en mikrovågspuls som vänder sin fas däremellan vilket gör protokollen robusta mot ojämnheter i kraft. De visar också att en spinkoherenstid på cirka 3 ms upprätthålls även efter grindoperationer som tar jämförbar tid.
Kvantminnen och nätverk
Utöver de elektroniska spinntillstånden har ett NV-center även tillgängliga kärnspinntillstånd associerade med kvävekärnan. Även vid rumstemperatur är dessa tillstånd extremt långlivade på grund av deras isolering från miljön. Som ett resultat kan kärnspinntillstånden i NV-centrum användas som kvantminnen för lagring av kvantinformation under långa tider. Detta är till skillnad från qubits baserade på supraledande kretsar, som måste vara vid sub millikelvin-temperaturer för att övervinna termiskt brus och är mer mottagliga för dekoherens som orsakas av interaktioner med omgivningen.
Högupplöst diamantsensor kartlägger elektriska strömmar i hjärtat
Kosaka och kollegor kunde också skapa en intrassling mellan ett elektroniskt spinn och ett kärnkraftsspinn i NV-centret. Detta möjliggör överföring av kvantinformation från en infallande foton till NV-centrets elektroniska spinn och sedan vidare till kärnspinnkvantminnet. En sådan förmåga är kritisk för distribuerad bearbetning där fotonerna kan användas för att överföra information mellan qubits i samma eller olika system i ett kvantnätverk.
Skriva i Naturfotonik, säger forskarna att med modifieringar av deras optiska adresseringsprocess borde det vara möjligt att förbättra dess rumsliga upplösning och även använda sig av sammanhängande interaktioner mellan flera NV-centra. Att kombinera några olika tekniker kan möjliggöra "selektiv tillgång till mer än 10,000 10 qubits i en 10×10×XNUMX µm3 volym, vilket banar väg för storskalig kvantlagring”. Kosaka säger att hans grupp nu arbetar med den utmanande uppgiften att tillverka två qubit-grindar med två närliggande NV-center.
