นักวิจัยในญี่ปุ่นได้พัฒนาเทคนิคในการจัดการสปินอิเล็กทรอนิกส์และนิวเคลียร์ในคริสตัลเพชร โครงการนี้รวมกระบวนการทางแสงและไมโครเวฟ และอาจนำไปสู่การสร้างระบบขนาดใหญ่สำหรับการจัดเก็บและประมวลผลข้อมูลควอนตัม
สปินทางอิเล็กทรอนิกส์และนิวเคลียร์ในคริสตัลโซลิดสเตตบางชนิดเป็นแพลตฟอร์มที่มีแนวโน้มดีสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่และความทรงจำ สปินเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์เล็กน้อยกับสภาพแวดล้อมในพื้นที่ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งหมายความว่าสามารถทำงานเป็นควอนตัมบิต (qubits) ที่เก็บข้อมูลควอนตัมเป็นเวลานานมาก นอกจากนี้ สปินดังกล่าวสามารถควบคุมได้โดยไม่สูญเสียอย่างมีนัยสำคัญ โดยทั่วไปแล้ว สปินจะตอบสนองต่อทั้งแสงออปติคัลและไมโครเวฟ แสงออปติคอลนั้นดีสำหรับความแม่นยำเชิงพื้นที่ในการจัดการกับการหมุนแต่ละครั้งเนื่องจากความยาวคลื่นที่สั้นกว่า ในทางกลับกัน ไมโครเวฟที่ยาวกว่านั้นให้การควบคุมที่แม่นยำยิ่งขึ้นของการหมุนทั้งหมดในคริสตัลโดยเสียค่าใช้จ่ายโดยไม่มีความละเอียดเชิงพื้นที่
ตอนนี้ ฮิเดโอะ โคซากะ และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยแห่งชาติโยโกฮาม่าในญี่ปุ่นได้พัฒนาวิธีการจัดการกับการหมุนแต่ละครั้งที่รวมเอาจุดแข็งของการควบคุมด้วยแสงและไมโครเวฟเข้าด้วยกัน พวกเขาใช้ไมโครเวฟเพื่อควบคุมการหมุนแต่ละครั้งในเพชรโดยการ "สปอตไลต์" อย่างแม่นยำโดยใช้แสงออปติคัล พวกเขาแสดงให้เห็นถึงการดำเนินการคัดเลือกสถานที่สำหรับการประมวลผลข้อมูลและสร้างสิ่งกีดขวางระหว่างสปินอิเล็กทรอนิกส์และนิวเคลียร์สำหรับการถ่ายโอนข้อมูล
ศูนย์เพชร NV
สำหรับการหมุน ทีมงานใช้ศูนย์ตำแหน่งว่างไนโตรเจน (NV) ในผลึกเพชร สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นเมื่ออะตอมของคาร์บอนที่อยู่ใกล้เคียงสองอะตอมในโครงตาข่ายเพชรถูกแทนที่ด้วยอะตอมไนโตรเจนและตำแหน่งที่ว่าง สถานะภาคพื้นดินของศูนย์ NV คือระบบอิเล็กทรอนิกส์สปิน-1 ที่สามารถใช้เป็นคิวบิตเพื่อเข้ารหัสข้อมูลได้
ในการคำนวณ คุณต้องสามารถเปลี่ยนสถานะการหมุนของ qubits ในลักษณะที่ควบคุมได้ สำหรับ qubit เดียว ก็เพียงพอแล้วที่จะมีชุดปฏิบัติการสำคัญสี่ชุดเพื่อทำสิ่งนี้ นี่คือการดำเนินการระบุตัวตนและประตู Pauli X, Y, Z ซึ่งหมุนสถานะรอบสามแกนของทรงกลม Bloch
ประตูโฮโลโนมิกสากล
การดำเนินการเหล่านี้สามารถนำไปใช้ได้โดยใช้วิวัฒนาการแบบไดนามิก โดยที่ระบบสองระดับถูกขับเคลื่อนโดยฟิลด์ที่หรือใกล้เคียงกับการสั่นพ้องด้วยการเปลี่ยนเป็น "หมุน" คิวบิตไปยังสถานะที่ต้องการ อีกวิธีหนึ่งคือการใช้เกทแบบโฮโลโนมิก ซึ่งเฟสของรัฐในระดับที่ใหญ่ขึ้นจะมีการเปลี่ยนแปลงเพื่อให้มีผลของเกทที่ต้องการบนสเปซย่อย qubit สองระดับ เมื่อเทียบกับวิวัฒนาการแบบไดนามิก วิธีนี้ถือว่ามีประสิทธิภาพมากกว่าสำหรับกลไกการถอดรหัส เนื่องจากเฟสที่ได้มาไม่ได้ขึ้นอยู่กับเส้นทางวิวัฒนาการที่แน่นอนของรัฐที่ใหญ่กว่า
ในงานวิจัยล่าสุดนี้ Kosaka และเพื่อนร่วมงานได้สาธิตการเลือกไซต์ของเทคนิคโดยเน้นเลเซอร์ที่ศูนย์ NV เฉพาะ สิ่งนี้จะเปลี่ยนความถี่การเปลี่ยนแปลงที่ไซต์นั้นเพื่อไม่ให้ไซต์อื่นตอบสนองเมื่อทั้งระบบขับเคลื่อนด้วยไมโครเวฟที่ความถี่ที่เหมาะสม เมื่อใช้เทคนิคนี้ ทีมงานสามารถสปอตไลต์บริเวณต่างๆ ได้หลายร้อยนาโนเมตร มากกว่าพื้นที่ขนาดใหญ่กว่ามากที่เรืองแสงด้วยไมโครเวฟ
โดยการเลือกไซต์ด้วยวิธีนี้ นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถปรับใช้การทำงานของประตูโฮโลโนมิก Pauli-X, Y และ Z ด้วยความเที่ยงตรงที่ดี (มากกว่า 90%) ความเที่ยงตรงของเกตคือการวัดว่าประสิทธิภาพของเกตที่ดำเนินการนั้นใกล้เคียงกับเกตในอุดมคติมากเพียงใด พวกเขาใช้คลื่นไมโครเวฟที่พลิกเฟสระหว่างนั้นทำให้โปรโตคอลแข็งแกร่งจนถึงพลังงานที่ไม่สม่ำเสมอ พวกเขายังแสดงให้เห็นว่าเวลาการหมุนที่เชื่อมโยงกันประมาณ 3 มิลลิวินาทีนั้นยังคงอยู่แม้หลังจากการทำงานของเกตที่ใช้เวลาใกล้เคียงกัน
หน่วยความจำควอนตัมและเครือข่าย
นอกจากสถานะการหมุนด้วยไฟฟ้าแล้ว ศูนย์ NV ยังมีสถานะการหมุนของนิวเคลียร์ที่เข้าถึงได้ซึ่งเกี่ยวข้องกับนิวเคลียสของไนโตรเจน แม้ในอุณหภูมิห้อง สภาพเหล่านี้มีอายุยืนยาวมากเพราะแยกออกจากสิ่งแวดล้อม ด้วยเหตุนี้ สถานะการหมุนด้วยนิวเคลียร์ของศูนย์ NV จึงสามารถใช้เป็นหน่วยความจำควอนตัมเพื่อจัดเก็บข้อมูลควอนตัมเป็นเวลานาน สิ่งนี้ไม่เหมือนกับ qubits ที่อิงตามวงจรตัวนำยิ่งยวดซึ่งต้องอยู่ที่อุณหภูมิต่ำกว่ามิลลิเคลวินเพื่อเอาชนะสัญญาณรบกวนจากความร้อนและมีความไวต่อการคลายตัวที่เกิดจากปฏิกิริยากับสิ่งแวดล้อมมากกว่า
เซ็นเซอร์เพชรความละเอียดสูงแผนที่กระแสไฟฟ้าในหัวใจ
Kosaka และเพื่อนร่วมงานยังสามารถสร้างความพัวพันระหว่างสปินอิเล็กทรอนิกส์และสปินนิวเคลียร์ในศูนย์ NV สิ่งนี้ทำให้สามารถถ่ายโอนข้อมูลควอนตัมจากโฟตอนตกกระทบไปยังสปินอิเล็กทรอนิกส์ของศูนย์ NV จากนั้นไปยังหน่วยความจำควอนตัมสปินนิวเคลียร์ ความสามารถดังกล่าวมีความสำคัญสำหรับการประมวลผลแบบกระจายซึ่งโฟตอนสามารถใช้ในการถ่ายโอนข้อมูลระหว่าง qubits ในระบบเดียวกันหรือต่างกันในเครือข่ายควอนตัม
เขียนเข้า Photonics ธรรมชาตินักวิจัยกล่าวว่าด้วยการปรับเปลี่ยนกระบวนการระบุที่อยู่ด้วยแสง ควรจะสามารถปรับปรุงความละเอียดเชิงพื้นที่ได้ และยังใช้ประโยชน์จากปฏิสัมพันธ์ที่สอดคล้องกันระหว่างศูนย์ NV หลายแห่ง การรวมเทคนิคที่แตกต่างกันสองสามอย่างเข้าด้วยกันอาจช่วยให้ "เข้าถึงได้มากกว่า 10,000 qubits ในขนาด 10 × 10 × 10 µm3 ที่ปูทางไปสู่การจัดเก็บควอนตัมขนาดใหญ่” Kosaka กล่าวว่าตอนนี้กลุ่มของเขากำลังทำงานที่ท้าทายในการสร้างประตู qubit สองประตูโดยใช้ศูนย์ NV สองแห่งในบริเวณใกล้เคียง
