In een voorschot dat onderzoekers kan helpen kwantumapparaten op te schalen, een MIT-team heeft een methode ontwikkeld om naburige kwantumbits te "rekruteren" gemaakt van nanoschaaldefecten in diamant, zodat ze, in plaats van verstoringen te veroorzaken, helpen bij het uitvoeren van kwantumoperaties.

Quantumapparaten voeren bewerkingen uit met behulp van quantumbits, genaamd "qubits, " die de twee toestanden kan vertegenwoordigen die overeenkomen met klassieke binaire bits - een nul of een één - of een "kwantumsuperpositie" van beide toestanden tegelijkertijd. De unieke superpositietoestand kan kwantumcomputers in staat stellen problemen op te lossen die praktisch onmogelijk zijn voor klassieke computers, mogelijk aanzetten tot doorbraken in biosensing, neuroimaging, machinaal leren, en andere toepassingen.

Een veelbelovende qubit-kandidaat is een defect in diamant, zogenaamde stikstof-leegstand (NV) centrum, die elektronen bevat die kunnen worden gemanipuleerd door licht en microgolven. In antwoord, het defect zendt fotonen uit die kwantuminformatie kunnen dragen. Vanwege hun solid-state omgevingen, echter, NV-centra zijn altijd omgeven door vele andere onbekende defecten met verschillende spin-eigenschappen, "spindefecten" genoemd. Wanneer het meetbare NV-centrum qubit interageert met die spindefecten, de qubit verliest zijn coherente kwantumtoestand - "decoheres" - en operaties vallen uit elkaar. Traditionele oplossingen proberen deze storende defecten te identificeren om de qubit ertegen te beschermen.

In een paper gepubliceerd op 25 februari in Physical Letters Review, de onderzoekers beschrijven een methode die een NV-centrum gebruikt om zijn omgeving te onderzoeken en het bestaan ​​van verschillende nabijgelegen spindefecten te ontdekken. Vervolgens, de onderzoekers kunnen de locaties van de defecten lokaliseren en controleren om een ​​coherente kwantumtoestand te bereiken - ze in wezen gebruiken als extra qubits.

Bij experimenten, het team genereerde en detecteerde kwantumcoherentie tussen drie elektronische spins - het opschalen van de grootte van het kwantumsysteem van een enkele qubit (het NV-centrum) tot drie qubits (toevoeging van twee nabijgelegen spindefecten). De bevindingen tonen een stap voorwaarts in het opschalen van kwantumapparaten met behulp van NV-centra, zeggen de onderzoekers.

"Je hebt altijd onbekende spindefecten in de omgeving die interageren met een NV-centrum. We zeggen, "Laten we deze spindefecten niet negeren, die [indien alleen gelaten] een snellere decoherentie zou kunnen veroorzaken. Laten we over hen leren, karakteriseren hun spins, leer ze te beheersen, en ze 'rekruteren' om deel uit te maken van het kwantumsysteem, '", zegt hoofdauteur Won Kyu Calvin Sun, een afgestudeerde student in de afdeling Nuclear Science and Engineering en een lid van de Quantum Engineering-groep. "Vervolgens, in plaats van een enkel NV-centrum [of slechts] één qubit te gebruiken, we kunnen er dan twee gebruiken, drie, of vier qubits."

Deelnemen aan Sun op het papier zijn hoofdauteur Alexandre Cooper '16 van Caltech; Jean-Christophe Jaskula, een onderzoekswetenschapper in het MIT Research Laboratory of Electronics (RLE) en lid van de Quantum Engineering-groep bij MIT; en Paola Capellaro, een professor in de afdeling Nuclear Science and Engineering, een lid van RLE, en hoofd van de Quantum Engineering-groep aan het MIT.

Kenmerkende gebreken

NV-centra komen voor waar koolstofatomen op twee aangrenzende plaatsen in de roosterstructuur van een diamant ontbreken - één atoom wordt vervangen door een stikstofatoom, en de andere ruimte is een lege 'vacature'. Het NV-centrum functioneert in wezen als een atoom, met een kern en omringende elektronen die extreem gevoelig zijn voor kleine variaties in omringende elektrische, magnetisch, en optische velden. Het vegen van microgolven door het centrum, bijvoorbeeld, laat het veranderen, en dus controle, de spintoestanden van de kern en elektronen.

Spins worden gemeten met behulp van een soort magnetische resonantiespectroscopie. Deze methode plot de frequenties van elektronen- en kernspins in megahertz als een "resonantiespectrum" dat kan dalen en pieken, zoals een hartmonitor. Spins van een NV-centrum onder bepaalde voorwaarden zijn bekend. Maar de omringende spindefecten zijn onbekend en moeilijk te karakteriseren.

In hun werk, de onderzoekers geïdentificeerd, gelegen, en controleerde twee elektron-nucleaire spindefecten nabij een NV-centrum. Ze stuurden eerst microgolfpulsen op specifieke frequenties om het NV-centrum te besturen. Tegelijkertijd, ze pulseren een andere magnetron die de omgeving afspeurt naar andere spins. Vervolgens observeerden ze het resonantiespectrum van de spindefecten die in wisselwerking stonden met het NV-centrum.

Het spectrum zakte op verschillende plaatsen toen de sondeerpuls interageerde met nabijgelegen elektron-nucleaire spins, hun aanwezigheid aangeven. De onderzoekers veegden vervolgens een magnetisch veld over het gebied in verschillende oriëntaties. Voor elke oriëntatie, het defect zou "spinnen" bij verschillende energieën, verschillende dips in het spectrum veroorzaken. In principe, hierdoor konden ze de spin van elk defect meten in relatie tot elke magnetische oriëntatie. Vervolgens stopten ze de energiemetingen in een modelvergelijking met onbekende parameters. Deze vergelijking wordt gebruikt om de kwantuminteracties van een elektron-nucleair spindefect onder een magnetisch veld te beschrijven. Vervolgens, ze konden de vergelijking oplossen om elk defect met succes te karakteriseren.

Lokaliseren en besturen

Na het karakteriseren van de gebreken, de volgende stap was het karakteriseren van de interactie tussen de defecten en de NV, die tegelijkertijd hun locaties zouden lokaliseren. Om dit te doen, ze veegden opnieuw het magnetische veld in verschillende oriëntaties, maar deze keer werd gezocht naar veranderingen in energieën die de interacties tussen de twee defecten en het NV-centrum beschrijven. Hoe sterker de interactie, hoe dichter ze bij elkaar waren. Vervolgens gebruikten ze die interactiesterkten om te bepalen waar de defecten zich bevonden, ten opzichte van het NV-centrum en tot elkaar. Dat leverde een goede kaart op van de locaties van alle drie de defecten in de diamant.

Het karakteriseren van de defecten en hun interactie met het NV-centrum zorgen voor volledige controle, wat nog een paar stappen omvat om te demonstreren. Eerst, ze pompen het NV-centrum en de omgeving met een reeks pulsen van groen licht en microgolven die helpen de drie qubits in een bekende kwantumtoestand te brengen. Vervolgens, ze gebruiken een andere reeks pulsen die idealiter de drie qubits kort verstrengelt, en ontwart ze dan, waarmee ze de drie-spin-coherentie van de qubits kunnen detecteren.

De onderzoekers bevestigden de drie-spin-coherentie door een grote piek in het resonantiespectrum te meten. De meting van de geregistreerde piek was in wezen de som van de frequenties van de drie qubits. Als de drie qubits bijvoorbeeld weinig of geen verstrengeling hadden, er zouden vier afzonderlijke pieken van kleinere hoogte zijn geweest.

"We komen in een zwarte doos [omgeving met elk NV-centrum]. Maar wanneer we de NV-omgeving onderzoeken, we beginnen dips te zien en vragen ons af welke soorten spins ons die dips geven. Zodra we de spin van de onbekende defecten [uitvinden], en hun interacties met het NV-centrum, we kunnen beginnen met het controleren van hun samenhang, " zegt Sun. "Dan, we hebben volledige universele controle over ons kwantumsysteem."

Volgende, de onderzoekers hopen andere omgevingsgeluiden rond qubits beter te begrijpen. Dat zal hen helpen om robuustere foutcorrigerende codes voor kwantumcircuits te ontwikkelen. Verder, omdat het proces van het creëren van een NV-centrum in diamant gemiddeld tal van andere spindefecten veroorzaakt, de onderzoekers zeggen dat ze het systeem mogelijk kunnen opschalen om nog meer qubits te controleren. "Het wordt complexer met schaal. Maar als we NV-centra kunnen vinden met meer resonantiepieken, je kunt je voorstellen dat je steeds grotere kwantumsystemen gaat besturen, ' zegt Zon.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.