Under de kommande åren, kvantdatorer och kvantnätverk kanske kan hantera uppgifter som är otillgängliga för traditionella datorsystem. Till exempel, de kan användas för att simulera komplex materia eller möjliggöra fundamentalt säker kommunikation.

De elementära byggstenarna i kvantinformationssystem är kända som qubits. För att kvantteknologi ska bli en påtaglig verklighet, forskare kommer att behöva identifiera strategier för att kontrollera många qubits med mycket höga precisionshastigheter.

Spinn av enskilda partiklar i fasta ämnen, såsom elektroner och kärnor har nyligen visat stort lovande för utvecklingen av kvantnätverk. Medan vissa forskare kunde visa en elementär kontroll av dessa qubits, än så länge, ingen har rapporterat intrasslade kvanttillstånd som innehåller mer än tre snurr.

För att nå den beräkningskraft som krävs för att utföra komplexa uppgifter, kvantregister bör vara betydligt större än de som hittills har realiserats. Dock, Att kontrollera individuella snurr inom komplexa och starkt interagerande kvantsystem har hittills visat sig vara mycket utmanande.

Nyligen, ett team av forskare vid TU Delft och Element Six har framgångsrikt demonstrerat ett fullt kontrollerbart tio-qubit-spinnregister med ett kvantminne på upp till en minut. Deras fynd, presenteras i en tidning publicerad i Fysisk granskning X , skulle kunna bana väg för utvecklingen av större och ändå kontrollerbara kvantregister, i slutändan öppnar nya spännande möjligheter för kvantberäkning.

"Huvudsyftet med vår studie var att realisera ett exakt kontrollerat system av en stor mängd qubits med hjälp av spinn av atomer inbäddade i en diamant, "Tim Taminiau, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org via e-post. "Dessa snurr är lovande kvantbitar för kvantberäkning och kvantnätverk, men tidigare resultat var begränsade till bara några få qubits. Den viktigaste öppna utmaningen är att å ena sidan, alla snurr i systemet måste kopplas ihop för att fungera som en enda kvantprocessor, men å andra sidan, detta gör det svårt att selektivt kontrollera dem med hög precision."

Taminiau och hans kollegor utvecklade framgångsrikt en helt ny metod för att kontrollera flera qubits. Denna teknik använder en elektronspin-qubit för att selektivt kontrollera många individuella nukleära spin-qubits, samtidigt som de frikopplas och på så sätt skyddas från oönskade interaktioner i systemet.

Med hjälp av deras metod, forskarna kunde kontrollera ett betydligt större antal snurr jämfört med tidigare studier, med anmärkningsvärt hög precision. De tillämpade sin teknik på ett system som består av 10 snurr kopplade till ett kvävevakanscenter (NV) i diamant. Detta NV-center har ett elektronspin som ger en qubit som kan avläsas optiskt (dvs man kan bestämma dess värde) och som kan styras med mikrovågspulser.

"Detta elektronsnurr kopplas till kärnsnurr i miljön, "Conor Bradley, en Ph.D. student och huvudförfattare till studien, förklarade. "En sådan kärnspinn är NV:s inneboende kvävekärnspinn. De ytterligare 8 qubitarna är kol-13 kärnspinn som omger NV. Naturligtvis är cirka 1,1 procent av kolatomerna i diamant kol-13 och har ett spinn, dvs de kan användas som en qubit, de andra kolatomerna är kol-12 och har inget spinn."

Även om forskarna tillämpade sin metod på ett specifikt 10-qubit-system, de tror att det också skulle kunna implementeras på andra system, inklusive andra defektcentra i diamant- och kiselkarbid, kvantprickar och donatorer i kisel. Qubits som är värd för dessa andra system har var sin styrka för att slutföra en mängd komplexa uppgifter.

"Den huvudsakliga prestationen av vår studie är ett 10-spin-qubit kvantsystem som kan lagra kvantinformation under mycket långa tider upp till 75 sekunder, ", sa Taminiau. "Även om andra forskare kunde uppnå liknande resultat med joner fångade i vakuum, denna kombination av många qubits, exakt kontroll och långlivat kvantminne är unikt för chipbaserade kvantbitar."

Systemet som demonstrerats av Taminiau och hans kollegor kan vara en viktig byggsten för stora kvantnätverk där flera NV-centra, var och en tillhandahåller flera qubits, är optiskt sammankopplade. Denna speciella förmåga har redan beskrivits och visats av forskarna i en tidigare studie.

"Förutom vikten av denna studie som en demonstration mot större kvantinformationssystem, detta arbete ger också nya insikter om dekoherensen – förlusten av kvantinformation – för spins in solids, sa Taminiau.

Resultaten som samlats in av detta team av forskare belyser möjligheten att studera hur intrasslade tillstånd av multipla spin-qubits dekoherar, samt hur korrelationer i bullermiljön kan spela en avgörande roll i denna process. Metoden de utvecklade öppnar också för nya möjligheter för kvantavkänning och atomskalig avbildning av individuella snurr, där målet inte är att kontrollera snurr utan snarare att upptäcka dem, för att få insikt i intressanta prover för studier i kemi, biologi och materialvetenskap.

I sin framtida forskning, Taminiau och hans kollegor planerar att demonstrera en teknik som kallas kvantfelskorrigering. Denna speciella typ av felkorrigering kan hjälpa till att övervinna alla de oundvikliga bristerna i befintliga kvantsystem, i slutändan möjliggör skapandet av storskaliga kvantsystem.

"Detta kommer att kräva att man kodar kvanttillstånd över många kvantbitar och utför noggranna mätningar för att upptäcka och korrigera fel utan att störa den kodade informationen, Taminiau tillade. "Detta har hittills varit utom räckhåll för något system, men våra resultat gör det nu möjligt att fortsätta med detta med hjälp av spins in diamant."

© 2019 Science X Network