Ny metode til lettere skalering af kvanteenheder

I et forskud, der kan hjælpe forskere med at opskalere kvanteenheder, et MIT -team har udviklet en metode til at "rekruttere" tilstødende kvantebits lavet af nanoskala -defekter i diamant, så de i stedet for at forårsage forstyrrelser hjælper med at udføre kvanteoperationer.

Kvanteapparater udfører operationer ved hjælp af kvantebits, kaldet "qubits, "der kan repræsentere de to tilstande, der svarer til klassiske binære bits - et nul eller et - eller en" kvante -superposition "af begge tilstande samtidigt. Den unikke superpositionstilstand kan gøre det muligt for kvantecomputere at løse problemer, der praktisk talt er umulige for klassiske computere, potentielt ansporende gennembrud inden for biosensing, neuroimaging, maskinelæring, og andre applikationer.

En lovende qubit -kandidat er en defekt i diamant, kaldet et nitrogen-vacancy (NV) center, som rummer elektroner, der kan manipuleres af lys og mikrobølger. Som svar, defekten udsender fotoner, der kan bære kvanteinformation. På grund af deres solid-state miljøer, imidlertid, NV -centre er altid omgivet af mange andre ukendte defekter med forskellige spin -egenskaber, kaldet "spin -defekter". Når den målbare NV-center qubit interagerer med disse spin-defekter, qubit mister sin sammenhængende kvantetilstand - "decoheres" - og operationer falder fra hinanden. Traditionelle løsninger forsøger at identificere disse forstyrrende defekter for at beskytte qubit mod dem.

I et papir, der blev offentliggjort den 25. februar i Physical Letters Review, forskerne beskriver en metode, der bruger et NV -center til at undersøge dets miljø og afdække eksistensen af ​​flere nærliggende spin -defekter. Derefter, forskerne kan lokalisere fejlenes placeringer og kontrollere dem for at opnå en sammenhængende kvantetilstand - i det væsentlige udnytte dem som yderligere qubits.

I forsøg, teamet genererede og opdagede kvantesammenhæng mellem tre elektroniske spins - opskalering af kvantesystemets størrelse fra en enkelt qubit (NV -centeret) til tre qubits (tilføjelse af to nærliggende spin -defekter). Resultaterne viser et skridt fremad i opskalering af kvanteenheder ved hjælp af NV -centre, siger forskerne.

"Du har altid ukendte spin -defekter i miljøet, der interagerer med et NV -center. Vi siger, "Lad os ikke ignorere disse spin -defekter, som [hvis den efterlades alene] kunne forårsage hurtigere dekoherens. Lad os lære om dem, karakteriserer deres spins, lære at kontrollere dem, og 'rekruttere' dem til at være en del af kvantesystemet, '"siger hovedforfatteren Won Kyu Calvin Sun, en kandidatstuderende på Institut for Nuklear Videnskab og Teknik og medlem af Quantum Engineering -gruppen. "Derefter, i stedet for at bruge et enkelt NV -center [eller bare] en qubit, vi kan derefter bruge to, tre, eller fire qubits. "

Tilsluttende Sun på papiret er hovedforfatter Alexandre Cooper '16 fra Caltech; Jean-Christophe Jaskula, en forsker ved MIT Research Laboratory of Electronics (RLE) og medlem af Quantum Engineering -gruppen på MIT; og Paola Cappellaro, en professor i Institut for Nuclear Science and Engineering, medlem af RLE, og leder af Quantum Engineering -gruppen på MIT.

Karakteriserer defekter

NV -centre forekommer, hvor kulstofatomer på to tilstødende steder i en diamants gitterstruktur mangler - et atom erstattes af et nitrogenatom, og det andet rum er en tom "ledig plads". NV -centeret fungerer hovedsageligt som et atom, med en kerne og omgivende elektroner, der er ekstremt følsomme over for små variationer i omgivende elektrisk, magnetisk, og optiske felter. Fejende mikrobølger på tværs af midten, for eksempel, får det til at ændre sig, og dermed kontrollere, spin -tilstande i kernen og elektronerne.

Spins måles ved hjælp af en type magnetisk resonansspektroskopi. Denne metode tegner frekvenserne for elektron- og kernespins i megahertz som et "resonansspektrum", der kan dyppe og spike, som en hjerteovervågning. Spins af et NV-center under visse betingelser er velkendte. Men de omkringliggende spin -defekter er ukendte og svære at karakterisere.

I deres arbejde, forskerne identificerede, befinde sig, og kontrollerede to elektron-nukleare spin-defekter nær et NV-center. De sendte først mikrobølgeimpulser ved bestemte frekvenser for at styre NV -centeret. Samtidigt, de puls en anden mikrobølgeovn, der sonderer det omgivende miljø for andre spins. De observerede derefter resonansspektret for spin -defekterne, der interagerer med NV -centeret.

Spektret dyppede flere steder, da den sonderende puls interagerede med elektron-nukleare spins i nærheden, angiver deres tilstedeværelse. Forskerne fejede derefter et magnetfelt hen over området i forskellige retninger. For hver orientering, defekten ville "rotere" ved forskellige energier, forårsager forskellige fald i spektret. I bund og grund, dette tillod dem at måle hver defekts spin i forhold til hver magnetisk orientering. De sluttede derefter energimålingerne til en modelligning med ukendte parametre. Denne ligning bruges til at beskrive kvanteinteraktionerne mellem en elektron-nuklear spin-defekt under et magnetfelt. Derefter, de kunne løse ligningen for med succes at karakterisere hver defekt.

Lokalisering og kontrol

Efter at have karakteriseret fejlene, det næste trin var at karakterisere interaktionen mellem defekterne og NV'et, som samtidig ville lokalisere deres placeringer. For at gøre det, de fejede igen magnetfeltet i forskellige retninger, men denne gang ledte man efter ændringer i energier, der beskriver samspillet mellem de to defekter og NV -centret. Jo stærkere interaktion, jo tættere de var på hinanden. De brugte derefter disse interaktionsstyrker til at bestemme, hvor fejlene var placeret, i forhold til NV -centret og til hinanden. Det genererede et godt kort over placeringen af ​​alle tre defekter i diamanten.

Karakterisering af fejlene og deres interaktion med NV -centeret giver fuld kontrol, hvilket indebærer et par trin til at demonstrere. Først, de pumper NV-center og omgivende miljø med en sekvens af pulser af grønt lys og mikrobølger, der hjælper med at sætte de tre qubits i en velkendt kvantetilstand. Derefter, de bruger en anden sekvens af pulser, der ideelt set vikler de tre qubits kort sammen, og adskiller dem derefter, hvilket gør dem i stand til at detektere qubits tre-spin sammenhæng.

Forskerne verificerede tre-spin-sammenhængen ved at måle en større stigning i resonansspektret. Målingen af ​​den registrerede stigning var i det væsentlige summen af ​​frekvenserne for de tre qubits. Hvis de tre qubits f.eks. Havde lidt eller ingen sammenfiltring, der ville have været fire separate pigge af mindre højde.

"Vi kommer ind i en sort boks [miljø med hvert NV -center]. Men når vi undersøger NV -miljøet, vi begynder at se dips og spekulerer på, hvilke typer spins der giver os disse dips. Når vi [finder ud af] spinet af de ukendte defekter, og deres interaktioner med NV -centret, vi kan begynde at kontrollere deres sammenhæng, "Solen siger." Så, vi har fuld universel kontrol over vores kvantesystem. "

Næste, forskerne håber bedre at forstå anden miljøstøj omkring qubits. Det vil hjælpe dem med at udvikle mere robuste fejlkorrigerende koder til kvantekredsløb. Desuden, fordi processen i forbindelse med oprettelse af NV -center i diamant i gennemsnit skaber mange andre spin -defekter, forskerne siger, at de potentielt kan opskalere systemet for at kontrollere endnu flere qubits. "Det bliver mere komplekst med skalaen. Men hvis vi kan begynde at finde NV -centre med flere resonansstigninger, du kan forestille dig at begynde at styre større og større kvantesystemer, "Sol siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.