फोकस्ड लाइट का उपयोग करके हासिल किए गए डायमंड क्वैबिट्स का साइट-सॉल्व्ड माइक्रोवेव कंट्रोल

जापान में शोधकर्ताओं द्वारा हीरे के क्रिस्टल में व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनिक और परमाणु स्पिन को संबोधित करने की एक तकनीक विकसित की गई है। यह योजना ऑप्टिकल और माइक्रोवेव प्रक्रियाओं को जोड़ती है और क्वांटम जानकारी के भंडारण और प्रसंस्करण के लिए बड़े पैमाने पर सिस्टम के निर्माण का नेतृत्व कर सकती है।

कुछ ठोस अवस्था वाले क्रिस्टल में इलेक्ट्रॉनिक और परमाणु स्पिन बड़े पैमाने पर क्वांटम कंप्यूटर और यादों के लिए आशाजनक मंच हैं। ये स्पिन कमरे के तापमान पर अपने स्थानीय वातावरण के साथ कमजोर रूप से बातचीत करते हैं, जिसका अर्थ है कि वे क्वांटम बिट्स (क्यूबिट्स) के रूप में काम कर सकते हैं जो क्वांटम जानकारी को बहुत लंबे समय तक संग्रहीत करते हैं। इसके अलावा, ऐसे स्पिन को महत्वपूर्ण नुकसान के बिना नियंत्रित किया जा सकता है। आमतौर पर, स्पिन ऑप्टिकल प्रकाश और माइक्रोवेव दोनों पर प्रतिक्रिया करते हैं। ऑप्टिकल प्रकाश अपनी छोटी तरंग दैर्ध्य के कारण व्यक्तिगत स्पिन को संबोधित करने में स्थानिक सटीकता के लिए अच्छा है। दूसरी ओर, लंबे माइक्रोवेव, बिना किसी स्थानिक रिज़ॉल्यूशन की कीमत पर क्रिस्टल में सभी स्पिनों का उच्च-निष्ठा नियंत्रण प्रदान करते हैं।

अभी, हिदेओ कोसाका और जापान में योकोहामा नेशनल यूनिवर्सिटी के सहकर्मियों ने व्यक्तिगत स्पिन को संबोधित करने का एक तरीका विकसित किया है जो ऑप्टिकल और माइक्रोवेव नियंत्रण दोनों की शक्तियों को जोड़ता है। उन्होंने ऑप्टिकल प्रकाश का उपयोग करके हीरे में अलग-अलग घुमावों को सटीक रूप से "स्पॉटलाइट" करके नियंत्रित करने के लिए माइक्रोवेव का उपयोग किया। उन्होंने सूचना प्रसंस्करण के लिए साइट चयनात्मक संचालन का प्रदर्शन किया और सूचना हस्तांतरण के लिए इलेक्ट्रॉनिक और परमाणु स्पिन के बीच उलझाव उत्पन्न किया।

डायमंड एनवी केंद्र

इसके स्पिन के लिए, टीम ने हीरे के क्रिस्टल में नाइट्रोजन-रिक्ति (एनवी) केंद्रों का उपयोग किया। ऐसा तब होता है जब हीरे की जाली में दो पड़ोसी कार्बन परमाणुओं को नाइट्रोजन परमाणु और एक खाली जगह से बदल दिया जाता है। एनवी केंद्र की जमीनी स्थिति एक स्पिन-1 इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली है जिसका उपयोग जानकारी को एनकोड करने के लिए एक क्वबिट के रूप में किया जा सकता है।

गणना करने के लिए, किसी को नियंत्रित तरीके से क्वैबिट की स्पिन स्थिति को बदलने में सक्षम होना चाहिए। एक क्वबिट के लिए, ऐसा करने के लिए चार कार्डिनल ऑपरेशनों का एक सेट होना पर्याप्त है। ये पहचान ऑपरेशन और पाउली एक्स, वाई, जेड गेट हैं, जो बलोच क्षेत्र की तीन अक्षों के बारे में राज्य को घुमाते हैं।

यूनिवर्सल होलोनोमिक गेट्स

इन परिचालनों को गतिशील विकास का उपयोग करके कार्यान्वित किया जा सकता है, जहां दो-स्तरीय प्रणाली को वांछित स्थिति में क्वबिट को "घुमाने" के लिए संक्रमण के साथ अनुनाद पर या उसके निकट एक क्षेत्र द्वारा संचालित किया जाता है। दूसरा तरीका एक होलोनोमिक गेट को लागू करना है, जहां एक राज्य के चरण को बड़े आधार पर बदल दिया जाता है ताकि यह दो-स्तरीय क्वबिट उप-स्थान पर वांछित गेट का प्रभाव डाल सके। गतिशील विकास की तुलना में, इस पद्धति को विघटन तंत्र के लिए अधिक मजबूत माना जाता है क्योंकि प्राप्त चरण बड़े राज्य के सटीक विकास पथ पर निर्भर नहीं करता है।

इस नवीनतम शोध में, कोसाका और उनके सहयोगियों ने सबसे पहले एक विशिष्ट एनवी केंद्र पर लेजर को केंद्रित करके अपनी तकनीक की साइट-चयनात्मकता का प्रदर्शन किया। यह उस साइट पर संक्रमण आवृत्ति को इस तरह बदल देता है कि जब पूरा सिस्टम सही आवृत्ति पर माइक्रोवेव द्वारा संचालित होता है तो कोई अन्य साइट प्रतिक्रिया नहीं करती है। इस तकनीक का उपयोग करके, टीम माइक्रोवेव द्वारा रोशन किए गए बहुत बड़े क्षेत्रों के बजाय कुछ सौ नैनोमीटर के क्षेत्रों को स्पॉटलाइट करने में सक्षम थी।

इस तरह से साइटों का चयन करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे पाउली-एक्स, वाई और जेड होलोनोमिक गेट संचालन को अच्छी निष्ठा (90% से अधिक) के साथ लागू कर सकते हैं। गेट फ़िडेलिटी इस बात का माप है कि कार्यान्वित गेट का प्रदर्शन एक आदर्श गेट के कितना करीब है। वे एक माइक्रोवेव पल्स का उपयोग करते हैं जो इसके चरण को बीच में फ़्लिप करता है जो प्रोटोकॉल को शक्ति में गैर-एकरूपता के लिए मजबूत बनाता है। वे यह भी दिखाते हैं कि गेट संचालन के बाद भी लगभग 3 एमएस का स्पिन सुसंगतता समय बनाए रखा जाता है, जिसमें तुलनीय समय लगता है।

क्वांटम यादें और नेटवर्क

इलेक्ट्रॉनिक स्पिन राज्यों के अलावा, एक एनवी-केंद्र में नाइट्रोजन नाभिक से जुड़े सुलभ परमाणु स्पिन राज्य भी होते हैं। यहां तक ​​कि कमरे के तापमान पर भी, ये राज्य पर्यावरण से अलग होने के कारण अत्यधिक लंबे समय तक जीवित रहते हैं। परिणामस्वरूप, एनवी-केंद्र परमाणु स्पिन राज्यों का उपयोग लंबे समय तक क्वांटम जानकारी के भंडारण के लिए क्वांटम मेमोरी के रूप में किया जा सकता है। यह सुपरकंडक्टिंग सर्किट पर आधारित क्वैबिट के विपरीत है, जिसे थर्मल शोर पर काबू पाने के लिए उप मिलिकेल्विन तापमान पर होना आवश्यक है और पर्यावरण के साथ बातचीत के कारण होने वाले विघटन के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं।

कोसाका और सहकर्मी एनवी केंद्र में एक इलेक्ट्रॉनिक स्पिन और एक परमाणु स्पिन के बीच उलझाव पैदा करने में भी सक्षम थे। यह एक घटना फोटॉन से क्वांटम जानकारी को एनवी केंद्र के इलेक्ट्रॉनिक स्पिन और फिर परमाणु स्पिन क्वांटम मेमोरी में स्थानांतरित करने में सक्षम बनाता है। ऐसी क्षमता वितरित प्रसंस्करण के लिए महत्वपूर्ण है जहां फोटॉन का उपयोग क्वांटम नेटवर्क में समान या विभिन्न प्रणालियों में क्वैबिट के बीच जानकारी स्थानांतरित करने के लिए किया जा सकता है।

में लेखन नेचर फोटोनिक्सशोधकर्ताओं का कहना है कि उनकी ऑप्टिकल एड्रेसिंग प्रक्रिया में संशोधन के साथ, इसके स्थानिक रिज़ॉल्यूशन में सुधार करना और कई एनवी केंद्रों के बीच सुसंगत इंटरैक्शन का उपयोग करना भी संभव होना चाहिए। कुछ अलग-अलग तकनीकों के संयोजन से "10,000×10×10 माइक्रोमीटर में 10 से अधिक क्यूबिट तक चयनात्मक पहुंच सक्षम हो सकती है³ मात्रा, बड़े पैमाने पर क्वांटम भंडारण का मार्ग प्रशस्त करती है”। कोसाका का कहना है कि उनका समूह अब पास के दो एनवी-केंद्रों का उपयोग करके दो क्विबिट गेट बनाने के चुनौतीपूर्ण कार्य पर काम कर रहा है।