Et ti-qubit solid-state spin-register med bemærkelsesværdig kvantehukommelse

I de kommende år, kvantecomputere og kvantenetværk kan muligvis tackle opgaver, der er utilgængelige for traditionelle computersystemer. For eksempel, de kunne bruges til at simulere komplekst stof eller muliggøre grundlæggende sikker kommunikation.

De elementære byggesten i kvanteinformationssystemer er kendt som qubits. For at kvanteteknologi skal blive en håndgribelig virkelighed, forskere bliver nødt til at identificere strategier til at kontrollere mange qubits med meget høje præcisionshastigheder.

Drejninger af individuelle partikler i faste stoffer, såsom elektroner og kerner har for nylig vist et stort løfte om udviklingen af ​​kvantenetværk. Mens nogle forskere var i stand til at demonstrere en elementær kontrol af disse qubits, indtil nu, ingen har rapporteret sammenfiltrede kvantetilstande, der indeholder mere end tre spins.

For at nå den beregningskraft, der er nødvendig for at fuldføre komplekse opgaver, kvanteregistre bør være betydeligt større end dem, der hidtil er realiseret. Imidlertid, at kontrollere individuelle spins inden for komplekse og stærkt interagerende kvantesystemer har hidtil vist sig at være meget udfordrende.

For nylig, et team af forskere ved TU Delft og Element Six har med succes demonstreret et fuldt kontrollerbart ti-qubit spin-register med en kvantehukommelse op til et minut. Deres fund, præsenteret i et papir udgivet i Fysisk gennemgang X , kunne bane vejen for udviklingen af ​​større og alligevel kontrollerbare kvanteregistre, i sidste ende åbner nye spændende muligheder for quantum computing.

"Hovedformålet med vores undersøgelse var at realisere et præcist kontrolleret system med en stor mængde qubits ved hjælp af spins af atomer indlejret i en diamant, "Tim Taminiau, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org via e -mail. "Disse spins er lovende kvantebits til kvanteberegning og kvantenetværk, men tidligere resultater var begrænset til kun et par qubits. Den centrale åbne udfordring er, at på den ene side, alle spins i systemet skal kobles sammen for at fungere som en enkelt kvanteprocessor, men på den anden side, dette gør det svært at selektivt styre dem med høj præcision. "

Taminiau og hans kolleger udviklede med succes en helt ny metode til at kontrollere flere qubits. Denne teknik bruger en elektron -spin -qubit til selektivt at styre mange individuelle atom -spin -qubits, samtidig med at de afkobles og dermed beskyttes mod uønskede interaktioner i systemet.

Ved hjælp af deres metode, forskerne var i stand til at kontrollere et betydeligt større antal spins sammenlignet med tidligere undersøgelser, med bemærkelsesværdig høj præcision. De anvendte deres teknik på et system, der består af 10 spins, der er knyttet til et nitrogen-ledigt (NV) center i diamant. Dette NV -center har et elektron -spin, der giver en qubit, end der optisk kan aflæses (dvs. man kan bestemme dens værdi), og som kan styres med mikrobølge -pulser.

"Dette elektronspin kobler til nukleare spins i miljøet, "Conor Bradley, en ph.d. studerende og hovedforfatter af undersøgelsen, forklaret. "Et sådant nukleare spin er NV's iboende nitrogen-nuklear spin. De yderligere 8 qubits er carbon-13 atomspins, der omgiver NV. Naturligvis er omkring 1,1 procent af carbonatomerne i diamant carbon-13 og har et spin, dvs. de kan bruges som en qubit, de andre kulstofatomer er kulstof-12 og har ingen centrifugering. "

Selvom forskerne anvendte deres metode til et specifikt 10-qubit system, de mener, at det også kunne implementeres på andre systemer, herunder andre defektcentre i diamant og siliciumcarbid, kvanteprikker og donorer i silicium. De qubits, der hostes af disse andre systemer, har hver deres styrker til at udføre en række komplekse opgaver.

"Hovedpræstationen af ​​vores undersøgelse er et 10-spin-qubit kvantesystem, der kan lagre kvanteinformation i meget lange tider op til 75 sekunder, "Taminiau sagde." Selvom andre forskere var i stand til at opnå lignende resultater med ioner fanget i vakuum, denne kombination af mange qubits, præcis kontrol og langtidslevende kvantehukommelse er unik for chipbaserede kvantebits. "

Systemet demonstreret af Taminiau og hans kolleger kan være en vigtig byggesten for store kvantenetværk, hvor flere NV -centre, hver leverer flere qubits, er forbundet optisk. Denne særlige evne blev allerede skitseret og vist af forskerne i en tidligere undersøgelse.

"Udover denne undersøgelses betydning som en demonstration mod større kvanteinformationssystemer, dette arbejde giver også ny indsigt i dekoherensen - tabet af kvanteinformation - for spins i faste stoffer, "Sagde Taminiau.

Resultaterne indsamlet af dette forskerteam fremhæver muligheden for at studere, hvordan sammenfiltrede tilstande for flere spin -qubits falder af, samt hvordan korrelationer i støjmiljøet kan spille en afgørende rolle i denne proces. Metoden, de udviklede, åbner også op for nye muligheder for kvantefølelse og billeddannelse i atomskala af individuelle spins, hvor målet ikke er at kontrollere spins, men snarere at opdage dem, for at indsamle indsigt i interessante prøver til studier i kemi, biologi og materialevidenskab.

I deres fremtidige forskning, Taminiau og hans kolleger planlægger at demonstrere en teknik kaldet kvantefejlkorrektion. Denne særlige form for fejlkorrektion kan hjælpe med at overvinde alle de uundgåelige ufuldkommenheder i eksisterende kvantesystemer, i sidste ende muliggør oprettelsen af ​​store kvantesystemer.

"Dette vil kræve kodning af kvantetilstande over mange qubits og udførelse af omhyggelige målinger for at opdage og rette fejl uden at forstyrre de kodede oplysninger, "Tilføjede Taminiau." Dette har hidtil været uden for rækkevidde for ethvert system, men vores resultater gør det nu muligt at forfølge dette ved hjælp af spins i diamant. "

© 2019 Science X Network