日本的研究人员开发了一种解决金刚石晶体中单个电子和核自旋的技术。 该方案结合了光学和微波过程，可能会导致创建用于存储和处理量子信息的大规模系统。
一些固态晶体中的电子和核自旋是用于大规模量子计算机和存储器的有前途的平台。 这些自旋在室温下与其局部环境的相互作用很弱，这意味着它们可以作为量子比特 (qubits) 运行，可以长时间存储量子信息。 此外，可以在没有重大损失的情况下控制这种自旋。 通常，自旋对可见光和微波都有反应。 由于波长较短，光学光有利于解决单个自旋的空间精度。 另一方面，更长的微波以没有空间分辨率为代价提供对晶体中所有自旋的更高保真度控制。
现在， 小坂秀夫 和日本横滨国立大学的同事们开发了一种解决单个自旋的方法，该方法结合了光学和微波控制的优势。 他们使用微波通过使用光学光精确地“聚光”来控制钻石中的单个自旋。 他们展示了用于信息处理的选址操作，以及用于信息传输的电子自旋和核自旋之间产生的纠缠。
钻石 NV 中心
对于自旋，该团队使用了钻石晶体中的氮空位 (NV) 中心。 当金刚石晶格中的两个相邻碳原子被一个氮原子和一个空位取代时，就会发生这种情况。 NV 中心的基态是一个自旋 1 电子系统，可用作量子位来编码信息。
要执行计算，需要能够以受控方式改变量子位的自旋状态。 对于单个量子位，一组四个基本运算就足够了。 这些是恒等运算和 Pauli X、Y、Z 门，它们围绕 Bloch 球体的三个轴旋转状态。
通用完整门
这些操作可以通过使用动态演化来实现，其中两能级系统由处于或接近共振的场驱动，过渡将量子位“旋转”到所需状态。 另一种方法是实现完整门，其中状态的相位在较大的基础上发生变化，以便它在两级量子位子空间上具有所需门的效果。 与动态演化相比，这种方法被认为对退相干机制更稳健，因为获得的相位不依赖于较大状态的确切演化路径。
在这项最新研究中，Kosaka 及其同事首先通过将激光聚焦在特定的 NV 中心来展示其技术的位点选择性。 这会改变该站点的转换频率，这样当整个系统由正确频率的微波驱动时，其他站点都不会响应。 使用这种技术，该团队能够聚焦几百纳米的区域，而不是微波照射的更大区域。
通过以这种方式选择站点，研究人员表明他们可以以良好的保真度（大于 90%）实施 Pauli-X、Y 和 Z 完整门运算。 门保真度是衡量已实现门的性能与理想门的接近程度的量度。 他们使用的微波脉冲会在两者之间翻转其相位，从而使协议对功率的不均匀性具有鲁棒性。 他们还表明，即使在花费相当时间的门操作之后，自旋相干时间也能保持约 3 毫秒。
量子存储器和网络
除了电子自旋态之外，NV 中心还具有与氮核相关的可及核自旋态。 即使在室温下，由于与环境隔离，这些状态的寿命也非常长。 因此，NV 中心核自旋态可以用作量子存储器，用于长时间存储量子信息。 这与基于超导电路的量子比特不同，后者需要处于亚毫开尔文温度以克服热噪声，并且更容易受到与环境相互作用引起的退相干的影响。
高分辨率钻石传感器映射心脏中的电流
Kosaka 及其同事还能够在 NV 中心的电子自旋和核自旋之间产生纠缠。 这使得量子信息能够从入射光子转移到 NV 中心的电子自旋，然后再转移到核自旋量子存储器。 这种能力对于分布式处理至关重要，在分布式处理中，光子可用于在量子网络中相同或不同系统中的量子位之间传输信息。
写入 自然光子学“, 研究人员表示，通过修改他们的光学寻址过程，应该可以提高其空间分辨率，并利用多个 NV 中心之间的相干相互作用。 结合几种不同的技术可以实现“在 10,000×10×10 µm 中选择性访问超过 10 个量子位3 体积，为大规模量子存储铺平了道路”。 Kosaka 说，他的团队现在正致力于一项具有挑战性的任务，即使用附近的两个 NV 中心制作两个量子位门。
