Tumedad keerutused võivad suurendada teemandipõhiste kvantseadmete jõudlust

Mõnede kvanttehnoloogiate jõudlust saab suurendada, kasutades ära lämmastiku vabade keskuste (NV) vastasmõjusid ja teemandi pinnal esinevaid defekte – vastavalt kahe sõltumatu teadlaste rühma tehtud uuringutele USA-s.

Teemandis olevad NV-keskused on kujunenud paljulubavaks tahkisplatvormiks kvantanduriks ja teabe töötlemiseks. Need on defektid teemantvõres, milles kaks süsinikuaatomit on asendatud ühe lämmastikuaatomiga, jättes ühe võrekoha vabaks. NV-keskused on kahetasandiline pöörlemissüsteem, millesse saab laservalguse ja mikrolainete abil kvantteavet kirjutada ja välja lugeda. NV-keskuste oluline omadus on see, et kui nad on viidud teatud kvantolekusse, võivad nad jääda sellesse olekusse suhteliselt pikaks "koherentsi" ajaks, mis muudab need tehnoloogiliselt kasulikuks.

Väga tundlik

NV-keskused on magnetväljade suhtes väga tundlikud, mis tähendab, et neid saab kasutada suure jõudlusega magnetväljaandurite loomiseks väga erinevateks rakendusteks. Sellel tundlikkusel on aga oma negatiivne külg, kuna magnetmüra allikad võivad NV-keskuste jõudlust halvendada.

Üheks magnetilise müra allikaks on interaktsioonid NV-keskuste ja teemandi pinnal paaritute elektronide spinnide vahel. Neid keerutusi ei saa optiliste tehnikate abil tuvastada, seetõttu nimetatakse neid "tumedateks spinnideks".

Kuna nad suhtlevad NV-keskustega, võivad tumedad keerutused hävitada NV-keskuses salvestatud kvantteabe või vähendada NV-põhiste andurite jõudlust. Selliseid koostoimeid saab minimeerida, kasutades NV-keskusi, mis asuvad suurema osa teemandi sees. See lahendus muudab aga nende kasutamise keerulisemaks magnetväljade tajumiseks väga lühikese pikkusega skaalal – see on kasulik üksikute spinnide, tuumade või molekulide uurimiseks.

Tehnoloogiliselt kasulik

Tumedate spinnide tuvastamise raskuste tõttu on nende käitumine jäänud enamasti saladuseks. Varasemad uuringud on aga näidanud, et tumedatel spinnidel on pikad koherentsusajad, mis võib muuta need kvanttehnoloogiates kasulikuks.

Mõlemad meeskonnad uurisid kahekordse elektron-elektronresonantsi (DEER) abil interaktsioone NV-keskuste ja tumedate spinnide vahel. See on tehnika, mis määrab elektronide spinnide paaride vahelise kauguse, rakendades mõlemale üheaegselt mikrolaineimpulsse.

Üks meeskond eesotsas Nathalie de Leon Princetoni ülikoolis kasutati DEERi mõõtmisi, et töötada välja mudel, kuidas NV keskpunkti koherentsusajad varieeruvad sõltuvalt nende sügavusest teemandi pinna all. Meeskond avastas ka, et tumedad keerutused ei ole staatilised, vaid „hüppavad” pinnal olevate saitide vahel. Need avastused viitavad sellele, et NV-põhiseid tehnoloogiaid saab optimeerida, valides NV-keskuste jaoks sobiva sügavuse ja töötades välja viise, kuidas juhtida tumedate spinnide hüppamist.

Keemiline aurustamine-sadestamine

Vahepeal meeskond eesotsas Norman Yao California ülikoolis kasutas Berkeley sarnaseid tehnikaid, et uurida, kuidas NV keskused suhtlevad erinevat tüüpi tumeda spinniga, mida nimetatakse P1-deks. Need loodi teemantpinnale lämmastiku keemilise aurustamise teel.

Teemantide kvantrevolutsioon

Ühes katses valmistasid teadlased hõredalt asustatud P1-de vanni, nii et NV-keskuste vastastikused interaktsioonid domineerisid P1-de mõju üle. Sel juhul võivad nad kasutada mikrolaineimpulsse, et selektiivselt lahutada NV-keskused üksteisest või lisanditest. See uuring näitas, et sel juhul domineerisid dekoherentsiprotsessis NV-keskuste vahelised interaktsioonid, mitte NV-keskuste ja P1-de vahelised interaktsioonid.

Kuid kui Yao ja kolleegid valmistasid P1-de tihedama vanni, said nad interaktsioone kasutada kvantteabe vahetamiseks NV-keskuste ja P1-de vahel. See rikkalik kvantkeskkond võib olla eriti kasulik kvantsimulatsioonide läbiviimiseks, mis hõlmavad paljusid interakteeruvaid keerutusi, sealhulgas keerulisi biomolekule ja eksootilisi aine olekuid.

Yao meeskond kirjeldab oma tööd a paber peale arXiv mis on avaldamiseks vastu võetud Loodusfüüsika. De Leon ja kolleegid tutvustavad oma tulemusi Füüsiline ülevaade X.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/dark-spins-could-boost-the-performance-of-diamond-based-quantum-devices/