Kvantminnen gjorda av elektron- eller kvävespinn i NV-centra i diamant som kan nås individuellt av ljus och exakt manipuleras av mikrovågor. Kredit:Yokohama National University
Kvantberäkning, ett område som förlitar sig på kvantmekanikens principer för att beräkna resultat, har potential att utföra uppgifter som är för komplexa för traditionella datorer och att göra det i höga hastigheter, vilket gör det på något sätt till den nya gränsen för vetenskap och ingenjörsvetenskap. För att komma till den punkt där kvantdatorer kan möta sin förväntade prestandapotential behövs utveckling av storskaliga kvantprocessorer och kvantminnen. Exakt kontroll av qubits – eller kvantbitar, de grundläggande byggstenarna i kvantdatorer – är avgörande för att göra detta, men metoder för att kontrollera qubits har begränsningar för massiv högdensitetsledning med hög precision.
Nu har forskare från Yokohama National University i Japan hittat ett sätt att exakt kontrollera qubits utan de tidigare begränsningarna. Deras resultat publicerades i Nature Photonics den 26 juli 2022.
"Mikrovågor används vanligtvis för individuell kvantkontroll, men individuell kabeldragning av mikrovågsledningar krävs", säger motsvarande författare Hideo Kosaka, chef för Quantum Information Research Center vid Institutet för avancerade vetenskaper och professor vid Institutionen för fysik i forskarutbildningen School of Engineering vid Yokohama National University. "Å andra sidan är det möjligt att manipulera qubits lokalt, men inte exakt, med ljus."
Kosaka och de andra forskarna kunde demonstrera kontroll av qubits genom att manipulera elektronspinningen genom en kombination av mikrovågsmanipulation och lokal optisk förskjutning av övergångsfrekvenser för atomer och molekyler, en process som kallas Stark-skiftet, med hjälp av ett kvävevakanscenter - en typ av punktdefekt — i en diamant. Med andra ord kunde de kombinera optiska metoder som förlitade sig på ljus från lasrar med mikrovågor för att övervinna de tidigare begränsningarna.
Forskarna kunde också visa att denna kontroll av elektronspin i sin tur kunde styra kväveatomens kärnspinn vid kvävevakanscentret såväl som interaktionen mellan elektron- och kärnspinn. Detta är viktigt eftersom det möjliggör exakt kontroll av qubits utan ledningsproblem.
"Den samtidiga bestrålningen av ljus och mikrovågor möjliggör individuell och exakt kontroll av qubits utan individuella ledningar," sa Kosaka. "Detta har banat väg för storskaliga kvantprocessorer och kvantminnen, som är avgörande för utvecklingen av storskaliga kvantdatorer."
Dessutom kunde forskarna generera kvantintrassling - ett tillstånd där partiklar existerar i samma tillstånd, även om de är fysiskt separerade - mellan elektron- och kärnspinn för att förbereda ett fotontillstånd för att överföras till det nukleära spinntillståndet. Detta möjliggör interqubit-anslutning med fotonen, och kommer i slutändan att kräva mindre datorkraft och möjliggöra överföring av information till kvantprocessorer och kvantminnen genom principen om kvantteleportation.
Den nya metoden uppfyller alla DiVincenzo-kriterierna, som är de kriterier som behövs för att en kvantdator ska fungera, och inkluderar skalbarhet, initialisering, mätning, universell grind och lång koherens. Det kan också tillämpas bortom Stark shift och på andra magnetfältscheman för att individuellt manipulera qubits i dessa scenarier, och det kan skydda mot vanliga typer av beräkningsfel som grindfel eller omgivningsbrus.
"Skälet till den förbättrade troheten hos vårt schema jämfört med helt optiska scheman är användningen av en överdriven grad av frihet som är lättare att kontrollera", sa Kosaka och hänvisade till antalet variabler som kan styras med denna metod.
Enligt forskarna är detta framsteg ett steg mot kvantberäkning i större skala.
"Genom att ytterligare förbättra upplösningen för individuell kvantdrift och intrasslingsoperation kan storskaliga integrerade diamantkvantdatorer, kvantlagringar och kvantsensorer förverkligas," sa Kosaka. "Det kommer också att förbättra dataöverföringskapaciteten för kvantrepeaternätverk för långdistanskvantkommunikation och distribuerat kvantdatornätverk eller kvantinternet."
De andra författarna till artikeln var Yuhei Sekiguchi från Institute of Advanced Sciences vid Yokohama National University, och Kazuki Matsushita och Yoshiki Kawasaki, båda från Institutionen för fysik vid Graduate School of Engineering vid Yokohama National University. + Utforska vidare
