Japonya'daki araştırmacılar tarafından bir elmas kristalindeki bireysel elektronik ve nükleer dönüşleri ele almak için bir teknik geliştirilmiştir. Şema, optik ve mikrodalga süreçleri birleştirir ve kuantum bilgilerinin depolanması ve işlenmesi için büyük ölçekli sistemlerin oluşturulmasına yol açabilir.
Bazı katı hal kristallerindeki elektronik ve nükleer dönüşler, büyük ölçekli kuantum bilgisayarlar ve bellekler için umut verici platformlardır. Bu dönüşler, oda sıcaklığında yerel ortamlarıyla zayıf bir şekilde etkileşime girer; bu, kuantum bilgilerini çok uzun süre depolayan kuantum bitleri (kübitler) olarak çalışabilecekleri anlamına gelir. Ayrıca, bu tür dönüşler önemli kayıplar olmadan kontrol edilebilir. Tipik olarak, spinler hem optik ışığa hem de mikrodalgalara tepki verir. Optik ışık, daha kısa dalga boyları nedeniyle bireysel dönüşleri ele almada uzamsal hassasiyet için iyidir. Öte yandan, daha uzun mikrodalgalar, hiçbir uzaysal çözünürlük pahasına bir kristaldeki tüm dönüşlerin daha yüksek doğrulukta kontrolünü sağlar.
Şimdi, Hideo Kosaka ve Japonya'daki Yokohama Ulusal Üniversitesi'ndeki meslektaşları, hem optik hem de mikrodalga kontrolünün güçlü yönlerini birleştiren bireysel dönüşleri ele almak için bir yol geliştirdiler. Elmastaki bireysel dönüşleri kontrol etmek için, optik ışık kullanarak hassas bir şekilde “spot ışıklandırma” yaparak mikrodalgaları kullandılar. Bilgi işleme için site seçici operasyonları ve bilgi aktarımı için elektronik ve nükleer dönüşler arasında oluşturulan karışıklığı gösterdiler.
Elmas NV merkezleri
Ekip, dönüşleri için bir elmas kristalinde azot-boşluk (NV) merkezlerini kullandı. Bunlar, bir elmas kafesteki iki komşu karbon atomunun bir nitrojen atomu ve boş bir alan ile değiştirilmesiyle meydana gelir. Bir NV merkezinin temel durumu, bilgileri kodlamak için bir kübit olarak kullanılabilen bir spin-1 elektronik sistemdir.
Hesaplama yapabilmek için, kübitlerin dönüş durumlarını kontrollü bir şekilde değiştirebilmek gerekir. Tek bir kübit için, bunu yapmak için bir dizi dört kardinal işlemin olması yeterlidir. Bunlar özdeşlik işlemi ve durumu Bloch küresinin üç ekseni etrafında döndüren Pauli X, Y, Z kapılarıdır.
Evrensel holonomik kapılar
Bu işlemler, dinamik evrim kullanılarak gerçekleştirilebilir; burada iki seviyeli bir sistem, kübiti istenen duruma "döndürmek" için geçişle birlikte rezonansta veya buna yakın bir alan tarafından sürülür. Başka bir yol, bir durumun fazının daha büyük bir temelde değiştirildiği ve böylece iki seviyeli qubit alt uzayı üzerinde istenen kapının etkisine sahip olduğu bir holonomik kapı uygulamaktır. Dinamik evrim ile karşılaştırıldığında, bu yöntemin uyumsuzluk mekanizmaları için daha sağlam olduğu kabul edilir, çünkü elde edilen faz, daha büyük durumun tam evrim yoluna bağlı değildir.
Bu son araştırmada, Kosaka ve meslektaşları, önce belirli bir NV merkezinde bir lazere odaklanarak tekniklerinin alan seçiciliğini gösteriyorlar. Bu, o bölgedeki geçiş frekansını, tüm sistem mikrodalgalar tarafından doğru frekansta çalıştırıldığında başka hiçbir site yanıt vermeyecek şekilde değiştirir. Ekip, bu tekniği kullanarak, mikrodalgaların aydınlattığı çok daha geniş alanlar yerine, birkaç yüz nanometre genişliğindeki bölgeleri aydınlatmayı başardı.
Bu şekilde siteleri seçerek, araştırmacılar Pauli-X, Y ve Z holonomik kapı işlemlerini iyi bir doğrulukla (%90'dan fazla) uygulayabileceklerini gösterdiler. Kapı doğruluğu, uygulanan kapının performansının ideal bir kapıya ne kadar yakın olduğunun bir ölçüsüdür. Aralarındaki fazı çeviren bir mikrodalga darbesi kullanırlar, bu da protokolleri güçteki düzensizliklere karşı sağlam kılar. Ayrıca, karşılaştırılabilir bir zaman alan kapı işlemlerinden sonra bile yaklaşık 3 ms'lik bir dönüş tutarlılık süresinin korunduğunu gösterirler.
Kuantum bellekler ve ağlar
Elektronik dönüş durumlarına ek olarak, bir NV-merkezi ayrıca nitrojen çekirdeği ile ilişkili erişilebilir nükleer dönüş durumlarına sahiptir. Oda sıcaklığında bile bu durumlar, çevreden izolasyonları nedeniyle son derece uzun ömürlüdür. Sonuç olarak, NV-merkezli nükleer spin durumları, kuantum bilgilerinin uzun süre depolanması için kuantum bellekler olarak kullanılabilir. Bu, termal gürültünün üstesinden gelmek için millikelvin altı sıcaklıklarda olması gereken ve çevre ile etkileşimlerin neden olduğu uyumsuzluğa daha duyarlı olan süper iletken devrelere dayanan kübitlerden farklıdır.
Yüksek çözünürlüklü elmas sensör, kalpteki elektrik akımlarını haritalar
Kosaka ve meslektaşları ayrıca NV merkezinde elektronik bir dönüş ile bir nükleer dönüş arasında dolaşıklık oluşturabildiler. Bu, gelen bir fotondan gelen kuantum bilgisinin NV merkezinin elektronik dönüşüne ve ardından nükleer dönüşlü kuantum belleğine aktarılmasını sağlar. Böyle bir yetenek, fotonların bir kuantum ağındaki aynı veya farklı sistemlerdeki kübitler arasında bilgi aktarmak için kullanılabileceği dağıtılmış işleme için kritik öneme sahiptir.
Yazı yazmak Doğa Fotonik, araştırmacılar, optik adresleme süreçlerinde yapılan değişikliklerle, uzamsal çözünürlüğünü iyileştirmenin ve ayrıca birden fazla NV merkezi arasındaki tutarlı etkileşimlerden yararlanmanın mümkün olacağını söylüyorlar. Birkaç farklı tekniği birleştirmek, "10,000 × 10 × 10 µm'de 10'den fazla kübite seçici erişim sağlayabilir.3 hacim, büyük ölçekli kuantum depolamanın yolunu açıyor”. Kosaka, grubunun şu anda yakınlardaki iki NV merkezini kullanarak iki kübit kapısı yapma gibi zorlu bir görev üzerinde çalıştığını söylüyor.
