In de komende jaren, kwantumcomputers en kwantumnetwerken kunnen mogelijk taken aan die niet toegankelijk zijn voor traditionele computersystemen. Bijvoorbeeld, ze kunnen worden gebruikt om complexe materie te simuleren of om fundamenteel veilige communicatie mogelijk te maken.

De elementaire bouwstenen van kwantuminformatiesystemen staan ​​bekend als qubits. Om kwantumtechnologie een tastbare realiteit te laten worden, onderzoekers zullen strategieën moeten identificeren om veel qubits met zeer hoge precisiesnelheden te controleren.

Spins van individuele deeltjes in vaste stoffen, zoals elektronen en kernen hebben recent een grote belofte getoond voor de ontwikkeling van kwantumnetwerken. Hoewel sommige onderzoekers een elementaire controle van deze qubits konden aantonen, tot dusver, niemand heeft verstrengelde kwantumtoestanden gerapporteerd die meer dan drie spins bevatten.

Om de rekenkracht te krijgen die nodig is om complexe taken uit te voeren, kwantumregisters zouden aanzienlijk groter moeten zijn dan de tot nu toe gerealiseerde. Echter, het beheersen van individuele spins binnen complexe en sterk op elkaar inwerkende kwantumsystemen is tot nu toe zeer uitdagend gebleken.

Onlangs, een team van onderzoekers van de TU Delft en Element Six heeft met succes een volledig bestuurbaar tien-qubit-spinregister gedemonstreerd met een kwantumgeheugen tot één minuut. Hun bevindingen, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordeling X , kan de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van grotere en toch controleerbare kwantumregisters, uiteindelijk nieuwe opwindende mogelijkheden voor kwantumcomputing openen.

"Het belangrijkste doel van onze studie was om een ​​nauwkeurig gecontroleerd systeem van een grote hoeveelheid qubits te realiseren met behulp van de spins van atomen ingebed in een diamant, "Tim Taminiau, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org via e-mail. "Deze spins zijn veelbelovende kwantumbits voor kwantumberekening en kwantumnetwerken, maar eerdere resultaten waren beperkt tot slechts een paar qubits. De belangrijkste open uitdaging is dat aan de ene kant, alle spins in het systeem moeten aan elkaar worden gekoppeld om als een enkele kwantumprocessor te functioneren, maar aan de andere kant, dit maakt het moeilijk om ze selectief te controleren met hoge precisie."

Taminiau en zijn collega's hebben met succes een geheel nieuwe methode ontwikkeld om meerdere qubits aan te sturen. Deze techniek maakt gebruik van een elektronenspinqubit om selectief veel individuele kernspinqubits te controleren, terwijl ze tegelijkertijd worden ontkoppeld en zo worden beschermd tegen ongewenste interacties in het systeem.

Met behulp van hun methode, de onderzoekers konden een aanzienlijk groter aantal spins controleren in vergelijking met eerdere studies, met opmerkelijk hoge precisie. Ze pasten hun techniek toe op een systeem dat bestaat uit 10 spins geassocieerd met een stikstof-vacature (NV) centrum in diamant. Dit NV-centrum heeft een elektronenspin die een qubit levert die optisch kan worden uitgelezen (d.w.z. men kan de waarde ervan bepalen) en die kan worden aangestuurd met microgolfpulsen.

"Deze elektronenspin koppelt aan kernspins in de omgeving, "Conor Bradley, een doctoraat student en hoofdauteur van de studie, uitgelegd. "Een van die kernspins is de intrinsieke stikstofkernspin van de NV. De extra 8 qubits zijn koolstof-13 kernspins die de NV omringen. Natuurlijk is ongeveer 1,1 procent van de koolstofatomen in diamant koolstof-13 en hebben een spin, d.w.z. ze kunnen worden gebruikt als een qubit, de andere koolstofatomen zijn koolstof-12 en dragen geen spin."

Hoewel de onderzoekers hun methode toepasten op een specifiek 10-qubit-systeem, ze geloven dat het ook op andere systemen kan worden geïmplementeerd, inclusief andere defectcentra in diamant en siliciumcarbide, kwantumstippen en donoren in silicium. De qubits die door deze andere systemen worden gehost, hebben elk hun eigen sterke punten voor het uitvoeren van een verscheidenheid aan complexe taken.

"De belangrijkste prestatie van onze studie is een 10-spin-qubit kwantumsysteem dat kwantuminformatie gedurende zeer lange tijd tot 75 seconden kan opslaan, " zei Taminiau. "Hoewel andere onderzoekers vergelijkbare resultaten konden bereiken met ionen die in vacuüm waren gevangen, deze combinatie van vele qubits, nauwkeurige controle en langlevend kwantumgeheugen is uniek voor op chips gebaseerde kwantumbits."

Het door Taminiau en zijn collega's gedemonstreerde systeem zou een belangrijke bouwsteen kunnen zijn voor grote kwantumnetwerken waarin meerdere NV-centra, elk met meerdere qubits, zijn optisch met elkaar verbonden. Dit specifieke vermogen werd al geschetst en aangetoond door de onderzoekers in een eerdere studie.

"Naast het belang van deze studie als demonstratie voor grotere kwantuminformatiesystemen, dit werk biedt ook nieuwe inzichten in de decoherentie - het verlies van kwantuminformatie - voor spins in vaste stoffen, ' zei Taminiau.

De bevindingen die door dit team van onderzoekers zijn verzameld, benadrukken de haalbaarheid van het bestuderen van hoe verstrengelde toestanden van meerdere spin-qubits uiteenvallen, en hoe correlaties in de geluidsomgeving een cruciale rol kunnen spelen in dit proces. De methode die ze ontwikkelden, opent ook nieuwe mogelijkheden voor kwantumdetectie en beeldvorming op atomaire schaal van individuele spins, waarbij het doel niet is om spins te controleren, maar om ze te detecteren, om inzicht te krijgen in interessante stalen voor studies in de chemie, biologie en materiaalkunde.

In hun toekomstig onderzoek Taminiau en zijn collega's zijn van plan een techniek te demonstreren die kwantumfoutcorrectie wordt genoemd. Dit specifieke type foutcorrectie zou kunnen helpen om alle onvermijdelijke onvolkomenheden van bestaande kwantumsystemen te overwinnen, uiteindelijk de creatie van grootschalige kwantumsystemen mogelijk maken.

"Dit vereist het coderen van kwantumtoestanden over vele qubits en het uitvoeren van zorgvuldige metingen om fouten te detecteren en te corrigeren zonder de gecodeerde informatie te verstoren, " voegde Taminiau eraan toe. "Dit is tot nu toe buiten bereik van elk systeem, maar onze resultaten maken het nu mogelijk om dit na te streven met behulp van spins in diamant."

© 2019 Wetenschap X Netwerk