Dokonano istotnego przełomu w rozwoju komputerów kwantowych opartych na diamentach.
Komputery kwantowe i komunikacja kwantowa to przełomowe technologie, które umożliwiają szybsze i bezpieczniejsze przetwarzanie i transmisję danych w porównaniu z tradycyjnymi komputerami. W komputerach kwantowych kubity służą jako podstawowe jednostki informacji, funkcjonując jako kwantowo-mechaniczny odpowiednik bitów w klasycznym informatyce.
Tam, gdzie na przykład impulsy laserowe w włóknie szklanym przenoszą informację z A do B w klasycznej komunikacji cyfrowej, mechanika kwantowa wykorzystuje pojedyncze fotony. W zasadzie uniemożliwia to przechwycenie przesyłanych danych. Kubity adresowalne optycznie (można je kontrolować lub odczytywać za pomocą światła) nadają się do przechowywania informacji o fotonach i przetwarzania ich w komputerach kwantowych. Kubity mogą przechowywać i przetwarzać stany kwantowe oraz absorbować i emitować je w postaci fotonów.
Stabilność Qubitu jest kluczowa
Głównym wyzwaniem w rozwoju kubitów jest wydłużenie czasu koherencji, czyli czasu, w którym kubity mogą stabilnie przechowywać informacje. Możliwość kontrolowania kubitów i utrzymywania ich na tyle stabilnego, aby można było wykorzystać ich właściwości w praktycznych zastosowaniach, będzie miała kluczowe znaczenie dla wykonalności opracowania wydajnych i skalowalnych komputerów kwantowych.
W Instytucie Physikalisches Institut KIT doktoranci Ioannis Karapatzakis i Jeremias Resch badali, jak precyzyjnie kontrolować specjalny defekt w diamentach, znany jako centrum wakatów cyny (SnV). Ich praca była częścią dwóch projektów finansowanych przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych Niemiec: QuantumRepeater.Link (QR.X) na rzecz bezpiecznej komunikacji kwantowej opartej na światłowodach oraz SPINNING, którego celem jest opracowanie komputera kwantowego opartego na spinie diamentu i fotonie.
„Wada struktury sieciowej atomów węgla diamentu pojawia się, gdy atomów brakuje lub są one zastępowane przez inne atomy, takie jak cyna” – powiedział Karapatzakis. Takie defekty można wykorzystać jako kubity w komunikacji kwantowej, ponieważ mają specjalne właściwości optyczne i magnetyczne, które umożliwiają manipulowanie stanami takimi jak spin elektronów za pomocą światła lub mikrofal. Defekty można następnie wykorzystać jako stabilne kubity, które mogą przechowywać i przetwarzać informacje oraz łączyć je z fotonami.
Znaczna poprawa w czasach spójności
Kubity diamentowe mają tę zaletę, że występują w fazie stałej, co czyni je łatwiejszymi w obróbce niż innymi materiałami kwantowymi, np. atomami w próżni. Karapatzakis i Resch byli w stanie precyzyjnie i w zauważalny sposób kontrolować spiny elektronów kubitów z centrum cyny za pomocą mikrofal. „Udało nam się wydłużyć czasy koherencji diamentowych centrów SnV nawet do dziesięciu milisekund, co stanowi znaczną poprawę” – mówi Resch.
Zrobili to dzięki dynamicznemu odsprzęganiu, które w dużym stopniu tłumi zakłócenia. Kolejnym szczególnym aspektem wyników badaczy jest sukces polegający na wykazaniu po raz pierwszy, że tego typu defekty diamentu można bardzo skutecznie kontrolować za pomocą falowodów nadprzewodzących, które skutecznie kierują promieniowanie mikrofalowe na defekty bez wytwarzania ciepła.
„To bardzo ważne, ponieważ defekty te są zazwyczaj badane w bardzo niskich temperaturach absolutne zero. Wyższe temperatury sprawiłyby, że kubity byłyby bezużyteczne” – mówi Karapatzakis.
„Aby nawiązać komunikację między dwoma użytkownikami lub (później) między dwoma komputerami kwantowymi, musimy przenieść stany kwantowe kubitu na fotony” – zauważa Resch. „Dzięki optycznemu odczytowi kubitów i osiągnięciu stabilnych właściwości widmowych zrobiliśmy ważny krok w tym kierunku. Zatem nasze wyniki dotyczące kontrolowania wolnych ośrodków cyny w diamentach oferują potencjał ważnego przełomu w przyszłym rozwoju bezpiecznej i wydajnej komunikacji kwantowej”.
Odniesienie: „Microwave Control of the Tine-Vacancy Spin Qubit in Diamond with a Superconducting Waveguide” autorstwa Ioannisa Karapatzakisa, Jeremiasa Rescha, Marcela Schrodina, Philippa Fuchsa, Michaela Kieschnicka, Julii Heupel, Luisa Kussiego, Christopha Sürgersa, Cyrila Popova, Jana Meijera, Christoph Becher, Wolfgang Wernsdorfer i David Hunger, 27 sierpnia 2024 r., Przegląd fizyczny X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.14.031036
