I ett förskott som kan hjälpa forskare att skala upp kvantanordningar, ett MIT -team har utvecklat en metod för att "rekrytera" närliggande kvantbitar gjorda av nanoskaladefekter i diamant, så att de i stället för att orsaka störningar hjälper till att utföra kvantoperationer.

Kvantanordningar utför operationer med hjälp av kvantbitar, kallas "qubits, "som kan representera de två tillstånden som motsvarar klassiska binära bitar - en nolla eller en - eller en" kvantsuperposition "av båda tillstånden samtidigt. Det unika superpositionstillståndet kan göra det möjligt för kvantdatorer att lösa problem som praktiskt taget är omöjliga för klassiska datorer, potentiellt framkallande genombrott inom biosensing, neuroimaging, maskininlärning, och andra applikationer.

En lovande qubit -kandidat är en defekt i diamant, kallas ett kväve-vakanscenter (NV), som innehåller elektroner som kan manipuleras av ljus och mikrovågor. Som svar, defekten avger fotoner som kan bära kvantinformation. På grund av deras solid-state miljöer, dock, NV -centra är alltid omgivna av många andra okända defekter med olika spinnegenskaper, kallas "snurrfel". När den mätbara NV-center qubit interagerar med dessa snurrdefekter, qubiten förlorar sitt sammanhängande kvanttillstånd - "decoheres" - och operationer går sönder. Traditionella lösningar försöker identifiera dessa störande defekter för att skydda qubit från dem.

I ett papper publicerat 25 februari i Physical Letters Review, forskarna beskriver en metod som använder ett NV -center för att undersöka dess miljö och avslöja förekomsten av flera närliggande snurrfel. Sedan, forskarna kan identifiera defekternas placering och kontrollera dem för att uppnå ett sammanhängande kvanttillstånd - i huvudsak utnyttja dem som ytterligare qubits.

I experiment, laget genererade och upptäckte kvant koherens bland tre elektroniska snurr - skala upp storleken på kvantsystemet från en enda qubit (NV -mitten) till tre qubits (lägg till två närliggande snurrdefekter). Fynden visar ett steg framåt för att skala upp kvantanordningar med NV -centra, säger forskarna.

"Du har alltid okända snurrfel i miljön som interagerar med ett NV -center. Vi säger, "Låt oss inte ignorera dessa snurrfel, som [om de lämnas ensamma] kan orsaka snabbare avkoherens. Låt oss lära oss mer om dem, karakterisera deras snurr, lära dig att kontrollera dem, och 'rekrytera' dem för att ingå i kvantsystemet, 'säger huvudförfattaren Won Kyu Calvin Sun, en doktorand vid Institutionen för kärnvetenskap och teknik och medlem i Quantum Engineering -gruppen. "Sedan, istället för att använda ett enda NV -center [eller bara] en qubit, vi kan då använda två, tre, eller fyra qubits. "

Anslutande Sun till tidningen är huvudförfattaren Alexandre Cooper '16 från Caltech; Jean-Christophe Jaskula, en forskare vid MIT Research Laboratory of Electronics (RLE) och medlem i Quantum Engineering -gruppen vid MIT; och Paola Cappellaro, professor vid Institutionen för kärnvetenskap och teknik, medlem i RLE, och chef för Quantum Engineering -gruppen vid MIT.

Karakteriserar defekter

NV -centrum uppstår där kolatomer på två intilliggande platser i en diamants gitterstruktur saknas - en atom ersätts av en kväveatom, och det andra utrymmet är en tom "vakans". NV -centrum fungerar i huvudsak som en atom, med en kärna och omgivande elektroner som är extremt känsliga för små variationer i omgivande elektriska, magnetisk, och optiska fält. Svepande mikrovågor över mitten, till exempel, får det att förändras, och därmed kontrollera, spinntillstånden i kärnan och elektronerna.

Snurr mäts med hjälp av en typ av magnetisk resonansspektroskopi. Denna metod plottar frekvenserna för elektron- och kärnsnurr i megahertz som ett "resonansspektrum" som kan doppa och öka, som en hjärtmonitor. Snurr på ett NV-center under vissa förhållanden är välkända. Men de omgivande snurrfelen är okända och svåra att karaktärisera.

I deras arbete, forskarna identifierade, belägen, och kontrollerade två elektron-nukleära spinndefekter nära ett NV-centrum. De skickade först mikrovågspulser vid specifika frekvenser för att styra NV -centrum. Samtidigt, de pulsar en annan mikrovågsugn som sonderar omgivningen för andra snurr. De observerade sedan resonansspektrumet för spinndefekterna som interagerar med NV -centrum.

Spektrumet doppade på flera fläckar när den sonderande pulsen interagerade med närliggande elektron-nukleära snurr, indikerar deras närvaro. Forskarna svepte sedan ett magnetfält över området i olika riktningar. För varje orientering, defekten skulle "snurra" vid olika energier, orsakar olika nedgångar i spektrumet. I grund och botten, detta gjorde det möjligt för dem att mäta varje defekt spin i förhållande till varje magnetisk orientering. De kopplade sedan energimätningarna till en modellekvation med okända parametrar. Denna ekvation används för att beskriva kvantinteraktionerna av en elektron-nukleär spinndefekt under ett magnetfält. Sedan, de kunde lösa ekvationen för att framgångsrikt karakterisera varje defekt.

Lokalisera och kontrollera

Efter att ha karakteriserat defekterna, nästa steg var att karakterisera interaktionen mellan defekterna och NV, som samtidigt skulle identifiera deras platser. Att göra så, de svepte igen magnetfältet i olika riktningar, men den här gången letade man efter förändringar i energier som beskriver samspelet mellan de två defekterna och NV -centrumet. Ju starkare interaktion, ju närmare de var varandra. De använde sedan dessa interaktionsstyrkor för att avgöra var defekterna fanns, i förhållande till NV -centrum och till varandra. Det genererade en bra karta över platserna för alla tre defekterna i diamanten.

Att karaktärisera defekterna och deras interaktion med NV -centret möjliggör full kontroll, vilket innebär ytterligare några steg för att demonstrera. Först, de pumpar NV-centrum och omgivande miljö med en sekvens av pulser av grönt ljus och mikrovågor som hjälper till att sätta de tre qubitsna i ett välkänt kvanttillstånd. Sedan, de använder en annan sekvens av pulser som idealiskt trasslar ihop de tre qubiterna kort, och sedan lossnar dem, vilket gör det möjligt för dem att upptäcka tre-spin-koherensen hos qubiterna.

Forskarna verifierade tre-spin-koherensen genom att mäta en stor spik i resonansspektrumet. Mätningen av spiken som registrerades var i huvudsak summan av frekvenserna för de tre qubitsna. Om de tre qubitsna till exempel hade liten eller ingen trassel, det skulle ha funnits fyra separata spikar av mindre höjd.

"Vi kommer in i en svart låda [miljö med varje NV -center]. Men när vi undersöker NV -miljön, vi börjar se dippar och undrar vilka typer av snurr som ger oss dessa dips. När vi [räknar ut] snurrningen av de okända defekterna, och deras interaktioner med NV -centret, vi kan börja kontrollera deras sammanhang, "Solen säger." Då, vi har full universell kontroll över vårt kvantsystem. "

Nästa, forskarna hoppas kunna bättre förstå andra miljöbuller kring qubits. Det hjälper dem att utveckla mer robusta felkorrigerande koder för kvantkretsar. Vidare, eftersom processen med skapandet av NV -center i diamant i genomsnitt skapar många andra snurrfel, forskarna säger att de potentiellt kan skala upp systemet för att styra ännu fler qubits. "Det blir mer komplext med skala. Men om vi kan börja hitta NV -centra med fler resonanspikar, du kan tänka dig att börja styra större och större kvantsystem, "Säger solen.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.