Дослідники в Японії розробили техніку для вирішення окремих електронних і ядерних спінів у кристалі алмазу. Схема поєднує оптичні та мікрохвильові процеси і може призвести до створення великомасштабних систем для зберігання та обробки квантової інформації.
Електронні та ядерні спіни в деяких твердотільних кристалах є перспективними платформами для великомасштабних квантових комп’ютерів і пам’яті. Ці спіни слабко взаємодіють з місцевим середовищем при кімнатній температурі, що означає, що вони можуть працювати як квантові біти (кубіти), які зберігають квантову інформацію протягом дуже тривалого часу. Крім того, такі оберти можна контролювати без значних втрат. Як правило, спіни реагують як на оптичне світло, так і на мікрохвилі. Оптичне світло добре для просторової точності при розгляді окремих обертів через коротшу довжину хвилі. Довші мікрохвилі, з іншого боку, забезпечують більш точне керування всіма обертаннями в кристалі ціною відсутності просторової роздільної здатності.
тепер, Хідео Косака і його колеги з Національного університету Йокогами в Японії розробили спосіб вирішення окремих обертів, який поєднує в собі сильні сторони як оптичного, так і мікрохвильового контролю. Вони використовували мікрохвилі, щоб контролювати окремі оберти в алмазі, точно «висвітлюючи» їх за допомогою оптичного світла. Вони продемонстрували вибіркові операції для обробки інформації та створили зв’язок між електронними та ядерними обертами для передачі інформації.
Центри Diamond NV
Для своїх обертів команда використовувала центри азотних вакансій (NV) у кристалі алмазу. Це відбувається, коли два сусідні атоми вуглецю в алмазній решітці замінюються атомом азоту та вакантним місцем. Основним станом NV-центру є електронна система зі спіном 1, яку можна використовувати як кубіт для кодування інформації.
Щоб виконати обчислення, потрібно мати можливість змінювати стан обертання кубітів контрольованим чином. Для одного кубіта достатньо мати набір із чотирьох кардинальних операцій. Це операція тотожності та ворота Паулі X, Y, Z, які обертають стан навколо трьох осей сфери Блоха.
Універсальні голономні ворота
Ці операції можна реалізувати за допомогою динамічної еволюції, коли дворівнева система керується полем у резонансі або близько до нього з переходом до «обертання» кубіта до бажаного стану. Іншим способом є реалізація голономних воріт, де фаза стану у більшому базисі змінюється так, щоб вона мала ефект бажаного воріт на дворівневому підпростір кубітів. Порівняно з динамічною еволюцією, цей метод вважається більш стійким до механізмів декогеренції, оскільки отримана фаза не залежить від точного шляху еволюції більшого стану.
У цьому останньому дослідженні Косака та його колеги вперше продемонстрували селективність своєї техніки шляхом фокусування лазера на певному NV-центрі. Це змінює частоту переходу на цій ділянці так, що жодна інша ділянка не реагує, коли вся система керується мікрохвилями на правильній частоті. Використовуючи цю техніку, команда змогла висвітлити ділянки діаметром кілька сотень нанометрів, а не набагато більші області, освітлені мікрохвилями.
Вибравши сайти таким чином, дослідники показали, що вони можуть реалізувати голономічні ворота Паулі-X, Y і Z з високою точністю (більше 90%). Точність воріт — це міра того, наскільки продуктивність реалізованого шлюзу наближається до ідеального. Вони використовують мікрохвильовий імпульс, який перевертає свою фазу між ними, що робить протоколи стійкими до нерівномірності потужності. Вони також показують, що час когерентності обертання близько 3 мс зберігається навіть після операцій затвора, які займають порівнянний час.
Квантова пам'ять і мережі
На додаток до електронних спінових станів, NV-центр також має доступні ядерні спінові стани, пов’язані з ядром азоту. Навіть при кімнатній температурі ці стани надзвичайно довго живуть через їх ізольованість від навколишнього середовища. Як наслідок, стани ядерного спіну NV-центру можна використовувати як квантову пам’ять для зберігання квантової інформації протягом тривалого часу. Це відрізняється від кубітів на основі надпровідних ланцюгів, які повинні мати температуру нижче мілікельвіна, щоб подолати тепловий шум, і більш сприйнятливі до декогерентності, спричиненої взаємодією з навколишнім середовищем.
Алмазний датчик високої роздільної здатності відображає електричні струми в серці
Косака та його колеги також змогли створити заплутаність між електронним обертанням і ядерним обертанням у центрі NV. Це дозволяє передавати квантову інформацію від падаючого фотона до електронного спіну NV-центру, а потім до квантової пам’яті ядерного спіну. Така можливість є критично важливою для розподіленої обробки, де фотони можуть використовуватися для передачі інформації між кубітами в одній або різних системах у квантовій мережі.
Введення в Природа ФотонікаДослідники кажуть, що за допомогою модифікацій процесу оптичної адресації можна буде покращити його просторову роздільну здатність, а також використовувати когерентну взаємодію між кількома центрами NV. Поєднання кількох різних методів може забезпечити «вибірковий доступ до більш ніж 10,000 10 кубітів у 10×10×XNUMX мкм.3 обсягу, прокладаючи шлях до великомасштабного квантового зберігання». Косака каже, що його група зараз працює над складним завданням створення двох кубітних воріт за допомогою двох сусідніх NV-центрів.
