O tehnică de abordare a rotațiilor electronice și nucleare individuale într-un cristal de diamant a fost dezvoltată de cercetători din Japonia. Schema combină procese optice și cu microunde și ar putea duce la crearea de sisteme la scară largă pentru stocarea și procesarea informațiilor cuantice.
Rotirile electronice și nucleare din unele cristale în stare solidă sunt platforme promițătoare pentru calculatoare și memorii cuantice la scară largă. Aceste rotații interacționează slab cu mediul lor local la temperatura camerei, ceea ce înseamnă că pot funcționa ca biți cuantici (qubiți) care stochează informații cuantice pentru perioade foarte lungi. În plus, astfel de rotiri pot fi controlate fără pierderi semnificative. De obicei, învârtirile răspund atât la lumina optică, cât și la microunde. Lumina optică este bună pentru precizia spațială în abordarea rotațiilor individuale din cauza lungimii de undă mai scurte. Microundele mai lungi, pe de altă parte, oferă un control cu o fidelitate mai mare a tuturor învârtirilor dintr-un cristal cu prețul fără rezoluție spațială.
Acum, Hideo Kosaka și colegii de la Universitatea Națională Yokohama din Japonia au dezvoltat o modalitate de a aborda învârtirile individuale care combină punctele forte ale controlului optic și al microundelor. Ei au folosit microunde pentru a controla rotirea individuală a diamantului, „iluminându-le” cu precizie folosind lumină optică. Ei au demonstrat operațiuni selective ale site-ului pentru procesarea informațiilor și au generat încurcarea între rotiri electronice și nucleare pentru transferul de informații.
Centrele Diamond NV
Pentru învârtirile sale, echipa a folosit centre de azot liber (NV) într-un cristal de diamant. Acestea apar atunci când doi atomi de carbon vecini dintr-o rețea de diamant sunt înlocuiți cu un atom de azot și un loc liber. Starea fundamentală a unui centru NV este un sistem electronic spin-1 care poate fi folosit ca un qubit pentru a codifica informații.
Pentru a efectua calcule, trebuie să fii capabil să schimbi starea de spin a qubiților într-o manieră controlată. Pentru un singur qubit, este suficient să aveți un set de patru operații cardinale pentru a face acest lucru. Acestea sunt operația de identitate și porțile Pauli X, Y, Z, care rotesc starea în jurul celor trei axe ale sferei Bloch.
Porți holonomice universale
Aceste operațiuni pot fi implementate prin utilizarea evoluției dinamice, în care un sistem cu două niveluri este condus de un câmp la sau aproape de rezonanță cu tranziția pentru a „roti” qubit-ul la starea dorită. O altă modalitate este de a implementa o poartă holonomică, în care faza unei stări într-o bază mai mare este schimbată astfel încât să aibă efectul porții dorite asupra subspațiului de qubit cu două niveluri. În comparație cu evoluția dinamică, această metodă este considerată mai robustă la mecanismele de decoerență deoarece faza dobândită nu depinde de calea exactă de evoluție a stării mai mari.
În această ultimă cercetare, Kosaka și colegii demonstrează mai întâi selectivitatea la fața locului a tehnicii lor prin focalizarea unui laser la un anumit centru NV. Acest lucru modifică frecvența de tranziție la acel loc, astfel încât niciun alt site nu răspunde atunci când întregul sistem este condus de microunde la frecvența potrivită. Folosind această tehnică, echipa a reușit să evidențieze regiuni cu o lungime de câteva sute de nanometri, mai degrabă decât zonele mult mai mari iluminate de microunde.
Selectând astfel site-urile, cercetătorii au arătat că ar putea implementa operațiunile porții holonomice Pauli-X, Y și Z cu o fidelitate bună (mai mare de 90%). Fidelitatea porții este o măsură a cât de aproape este performanța porții implementate de o poartă ideală. Ei folosesc un impuls de microunde care își inversează faza între ele, ceea ce face ca protocoalele să fie robuste la neuniformitățile de putere. Ele arată, de asemenea, că un timp de coerență a spinării de aproximativ 3 ms este menținut chiar și după operațiunile de poartă care durează un timp comparabil.
Amintiri și rețele cuantice
În plus față de stările de spin electronic, un centru NV are și stări de spin nuclear accesibile asociate cu nucleul de azot. Chiar și la temperatura camerei, aceste stări sunt extrem de longevive datorită izolării lor de mediu. Ca rezultat, stările de spin nuclear din centrul NV pot fi folosite ca memorii cuantice pentru stocarea informațiilor cuantice pentru perioade lungi de timp. Acest lucru este spre deosebire de qubiții bazați pe circuite supraconductoare, care trebuie să fie la temperaturi sub millikelvin pentru a depăși zgomotul termic și sunt mai susceptibili la decoerența cauzată de interacțiunile cu mediul.
Senzorul cu diamant de înaltă rezoluție mapează curenții electrici din inimă
Kosaka și colegii au reușit, de asemenea, să genereze încurcare între un spin electronic și un spin nuclear în centrul NV. Acest lucru permite transferul de informații cuantice de la un foton incident la spinul electronic al centrului NV și apoi la memoria cuantică de spin nuclear. O astfel de capacitate este critică pentru procesarea distribuită, în care fotonii pot fi utilizați pentru a transfera informații între qubiți în același sau sisteme diferite într-o rețea cuantică.
Înscriere în Natura Photonics, cercetătorii spun că, odată cu modificările aduse procesului lor de adresare optică, ar trebui să fie posibilă îmbunătățirea rezoluției sale spațiale și, de asemenea, să folosească interacțiuni coerente între mai multe centre NV. Combinarea câtorva tehnici diferite ar putea permite „accesul selectiv la mai mult de 10,000 de qubiți într-un format de 10×10×10 µm3 volum, deschizând calea către stocarea cuantică la scară largă”. Kosaka spune că grupul său lucrează acum la sarcina provocatoare de a face două porți qubit folosind două centre NV din apropiere.
