Một kỹ thuật giải quyết các spin điện tử và hạt nhân riêng lẻ trong một tinh thể kim cương đã được các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản phát triển. Đề án kết hợp các quá trình quang học và vi sóng và có thể dẫn đến việc tạo ra các hệ thống quy mô lớn để lưu trữ và xử lý thông tin lượng tử.
Các spin điện tử và hạt nhân trong một số tinh thể ở trạng thái rắn là những nền tảng đầy hứa hẹn cho các máy tính và bộ nhớ lượng tử quy mô lớn. Các spin này tương tác yếu với môi trường cục bộ của chúng ở nhiệt độ phòng, có nghĩa là chúng có thể hoạt động như các bit lượng tử (qubit) lưu trữ thông tin lượng tử trong thời gian rất dài. Hơn nữa, các vòng quay như vậy có thể được kiểm soát mà không bị tổn thất đáng kể. Thông thường, các vòng quay phản ứng với cả ánh sáng quang học và vi sóng. Ánh sáng quang học tốt cho độ chính xác không gian trong việc giải quyết các spin riêng lẻ vì bước sóng ngắn hơn của nó. Mặt khác, vi sóng dài hơn cung cấp khả năng kiểm soát độ trung thực cao hơn đối với tất cả các spin trong tinh thể với chi phí không có độ phân giải không gian.
Bây giờ, Hideo Kosaka và các đồng nghiệp tại Đại học Quốc gia Yokohama ở Nhật Bản đã phát triển một cách để giải quyết các spin riêng lẻ kết hợp thế mạnh của cả điều khiển quang học và vi sóng. Họ đã sử dụng vi sóng để điều khiển các vòng quay riêng lẻ trong kim cương bằng cách “chiếu sáng” chính xác chúng bằng cách sử dụng ánh sáng quang học. Họ đã chứng minh các hoạt động chọn lọc địa điểm để xử lý thông tin và tạo ra sự vướng víu giữa các vòng quay điện tử và hạt nhân để truyền thông tin.
Trung tâm Diamond NV
Đối với các vòng quay của nó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các tâm nitơ - trống (NV) trong một tinh thể kim cương. Điều này xảy ra khi hai nguyên tử cacbon lân cận trong mạng tinh thể kim cương được thay thế bằng một nguyên tử nitơ và một vị trí trống. Trạng thái cơ bản của trung tâm NV là một hệ thống điện tử spin-1 có thể được sử dụng như một qubit để mã hóa thông tin.
Để thực hiện tính toán, người ta cần có khả năng thay đổi trạng thái quay của các qubit một cách có kiểm soát. Đối với một qubit, nó đủ để có một tập hợp bốn phép toán cơ bản để thực hiện điều này. Đây là hoạt động nhận dạng và các cổng Pauli X, Y, Z, xoay trạng thái về ba trục của khối cầu Bloch.
Cổng ba chiều phổ quát
Các hoạt động này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng tiến hóa động, trong đó hệ thống hai cấp được điều khiển bởi một trường tại hoặc gần cộng hưởng với quá trình chuyển đổi để “xoay” qubit đến trạng thái mong muốn. Một cách khác là thực hiện một cổng ba chiều, trong đó pha của một trạng thái trong cơ sở lớn hơn được thay đổi để nó có ảnh hưởng của cổng mong muốn trên không gian con qubit hai cấp. So với quá trình tiến hóa động, phương pháp này được coi là mạnh mẽ hơn đối với các cơ chế tách rời bởi vì giai đoạn thu được không phụ thuộc vào con đường tiến hóa chính xác của trạng thái lớn hơn.
Trong nghiên cứu mới nhất này, Kosaka và các đồng nghiệp lần đầu tiên chứng minh tính chọn lọc địa điểm của kỹ thuật của họ bằng cách tập trung tia laser tại một trung tâm NV cụ thể. Điều này thay đổi tần số chuyển tiếp tại trang web đó để không trang web nào khác phản hồi khi toàn bộ hệ thống được điều khiển bởi vi sóng ở tần số phù hợp. Sử dụng kỹ thuật này, nhóm nghiên cứu có thể làm nổi bật những vùng có chiều ngang vài trăm nanomet, thay vì những vùng lớn hơn nhiều được chiếu sáng bởi vi sóng.
Bằng cách chọn các vị trí theo cách này, các nhà nghiên cứu cho thấy rằng họ có thể thực hiện các hoạt động cổng ba chiều Pauli-X, Y và Z với độ trung thực tốt (lớn hơn 90%). Độ trung thực của cổng là thước đo hiệu suất của cổng được triển khai gần như thế nào với cổng lý tưởng. Họ sử dụng một xung vi sóng làm đảo lộn pha của nó ở giữa, làm cho các giao thức trở nên mạnh mẽ đối với sự không đồng nhất về điện năng. Họ cũng cho thấy rằng thời gian liên kết quay khoảng 3 ms được duy trì ngay cả sau các hoạt động cổng mất một thời gian tương đương.
Bộ nhớ lượng tử và mạng
Ngoài các trạng thái spin điện tử, tâm NV cũng có các trạng thái spin hạt nhân có thể tiếp cận được liên kết với hạt nhân nitơ. Ngay cả ở nhiệt độ phòng, những trạng thái này vẫn tồn tại rất lâu do cách ly với môi trường. Kết quả là, các trạng thái spin hạt nhân ở tâm NV có thể được sử dụng làm bộ nhớ lượng tử để lưu trữ thông tin lượng tử trong thời gian dài. Điều này không giống như các qubit dựa trên các mạch siêu dẫn, các mạch này cần ở nhiệt độ dưới millikelvin để vượt qua nhiễu nhiệt và dễ bị suy giảm do tương tác với môi trường.
Cảm biến kim cương có độ phân giải cao lập bản đồ các dòng điện trong tim
Kosaka và các đồng nghiệp cũng có thể tạo ra sự vướng víu giữa spin điện tử và spin hạt nhân ở trung tâm NV. Điều này cho phép chuyển thông tin lượng tử từ một photon tới tới spin điện tử của trung tâm NV và sau đó đến bộ nhớ lượng tử spin hạt nhân. Khả năng như vậy là rất quan trọng đối với quá trình xử lý phân tán, nơi các photon có thể được sử dụng để truyền thông tin giữa các qubit trong các hệ thống giống nhau hoặc khác nhau trong một mạng lượng tử.
Viết vào Thiên nhiên Photonics, các nhà nghiên cứu nói rằng với những sửa đổi đối với quy trình định địa chỉ quang học của họ, có thể cải thiện độ phân giải không gian của nó và cũng có thể sử dụng các tương tác nhất quán giữa nhiều trung tâm NV. Việc kết hợp một số kỹ thuật khác nhau có thể cho phép “truy cập có chọn lọc vào hơn 10,000 qubit trong kích thước 10 × 10 × 10 µm3 khối lượng, mở đường cho việc lưu trữ lượng tử quy mô lớn ”. Kosaka nói rằng nhóm của anh ấy hiện đang thực hiện nhiệm vụ đầy thử thách là tạo ra hai cổng qubit bằng cách sử dụng hai trung tâm NV gần đó.
