Kwantumcomputing, een vakgebied dat vertrouwt op de principes van de kwantummechanica om resultaten te berekenen, heeft het potentieel om taken uit te voeren die te complex zijn voor traditionele computers en om dit met hoge snelheden te doen, waardoor het in zekere zin de nieuwe grens voor wetenschap en techniek is. Om het punt te bereiken waarop kwantumcomputers hun verwachte prestatiepotentieel kunnen waarmaken, is de ontwikkeling van grootschalige kwantumprocessors en kwantumgeheugens nodig. Nauwkeurige controle van qubits - of kwantumbits, de basisbouwstenen van kwantumcomputers - is van cruciaal belang om dit te doen, maar methoden voor het besturen van qubits hebben beperkingen voor massieve bedrading met hoge dichtheid met hoge precisie.

Nu hebben onderzoekers van de Yokohama National University in Japan een manier gevonden om qubits nauwkeurig te controleren zonder de eerdere beperkingen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Nature Photonics op 26 juli 2022.

"Microgolven worden meestal gebruikt voor individuele kwantumcontrole, maar individuele bedrading van microgolflijnen is vereist", zegt de corresponderende auteur Hideo Kosaka, directeur van het Quantum Information Research Center in het Institute of Advanced Sciences en professor in de afdeling Natuurkunde in de Graduate School of Engineering aan de Yokohama National University. "Aan de andere kant is het mogelijk om qubits lokaal te manipuleren, maar niet precies, met licht."

Kosaka en de andere onderzoekers waren in staat om de beheersing van qubits aan te tonen door de elektronenspin te manipuleren door een combinatie van microgolfmanipulatie en lokale optische verschuiving van overgangsfrequenties van atomen en moleculen, een proces dat bekend staat als de Stark-verschuiving, met behulp van een stikstof-vacaturecentrum. een soort puntdefect - in een diamant. Met andere woorden, ze waren in staat optische methoden te combineren op basis van licht van lasers met microgolven om de eerdere beperkingen te overwinnen.

De onderzoekers konden ook aantonen dat deze controle van de elektronenspin op zijn beurt de kernspin van het stikstofatoom in het stikstof-vacaturecentrum zou kunnen regelen, evenals de interactie tussen het elektron en de kernspins. Dit is belangrijk omdat het nauwkeurige controle van qubits mogelijk maakt zonder het bedradingsprobleem.

"De gelijktijdige bestraling van licht en microgolven maakt individuele en nauwkeurige controle van qubits mogelijk zonder individuele bedrading", zei Kosaka. "Dit heeft de weg vrijgemaakt voor grootschalige kwantumprocessors en kwantumgeheugens, die essentieel zijn voor de ontwikkeling van grootschalige kwantumcomputers."

Bovendien waren de onderzoekers in staat om kwantumverstrengeling te genereren - een toestand waarin deeltjes in dezelfde staat bestaan, zelfs als ze fysiek gescheiden zijn - tussen het elektron en de kernspins om een ​​fotontoestand voor te bereiden om over te gaan naar de kernspintoestand. Dit maakt interqubit-connectiviteit met het foton mogelijk en vereist uiteindelijk minder rekenkracht en maakt de overdracht van informatie naar kwantumprocessors en kwantumgeheugens mogelijk door het principe van kwantumteleportatie.

De nieuwe methode voldoet aan alle DiVincenzo-criteria, de criteria die nodig zijn om een ​​kwantumcomputer te laten functioneren, en omvat schaalbaarheid, initialisatie, meting, universele poort en lange coherentie. Het kan ook worden toegepast buiten Stark shift en op andere magnetische veldschema's om qubits in die scenario's individueel te manipuleren, en het kan beschermen tegen veelvoorkomende soorten computerfouten zoals poortfouten of omgevingsgeluid.

"De reden voor de verbeterde betrouwbaarheid van ons schema ten opzichte van volledig optische schema's is het gebruik van een overmatige mate van vrijheid die gemakkelijker te controleren is", zei Kosaka, verwijzend naar het aantal variabelen dat met deze methode kan worden gecontroleerd.

Volgens de onderzoekers is deze vooruitgang een stap in de richting van quantum computing op grotere schaal.

"Door de resolutie van individuele kwantumoperatie en verstrengelingsoperatie verder te verbeteren, kunnen grootschalige geïntegreerde diamanten kwantumcomputers, kwantumopslag en kwantumsensoren worden gerealiseerd," zei Kosaka. "Het zal ook de datatransmissiecapaciteit van het kwantumrepeaternetwerk verbeteren voor kwantumcommunicatie op lange afstand en gedistribueerd kwantumcomputernetwerk of kwantuminternet."

De andere auteurs van het artikel waren Yuhei Sekiguchi van het Institute of Advanced Sciences aan de Yokohama National University, en Kazuki Matsushita en Yoshiki Kawasaki, beide van het Department of Physics in de Graduate School of Engineering aan de Yokohama National University. + Verder verkennen

Fouttolerant kwantumcomputergeheugen in diamant