In un anticipo che potrebbe aiutare i ricercatori a scalare i dispositivi quantistici, un team del MIT ha sviluppato un metodo per "reclutare" bit quantistici vicini fatti di difetti su scala nanometrica nel diamante, in modo che invece di causare interruzioni aiutano a svolgere operazioni quantistiche.

I dispositivi quantistici eseguono operazioni utilizzando bit quantistici, chiamati "qubit, " che può rappresentare i due stati corrispondenti ai classici bit binari—uno zero o uno—o una "sovrapposizione quantistica" di entrambi gli stati contemporaneamente. Lo stato di sovrapposizione unico può consentire ai computer quantistici di risolvere problemi che sono praticamente impossibili per i computer classici, potenzialmente stimolare scoperte nel biosensore, neuroimaging, apprendimento automatico, e altre applicazioni.

Un promettente candidato qubit è un difetto nel diamante, chiamato centro di azoto vacante (NV), che contiene elettroni che possono essere manipolati dalla luce e dalle microonde. In risposta, il difetto emette fotoni che possono trasportare informazioni quantistiche. A causa dei loro ambienti a stato solido, però, I centri NV sono sempre circondati da molti altri difetti sconosciuti con diverse proprietà di spin, chiamati "difetti di spin". Quando il qubit misurabile del centro NV interagisce con quei difetti di spin, il qubit perde il suo stato quantico coerente - "decoerisce" - e le operazioni vanno in pezzi. Le soluzioni tradizionali cercano di identificare questi difetti dirompenti per proteggere il qubit da essi.

In un articolo pubblicato il 25 febbraio su Physical Letters Review, i ricercatori descrivono un metodo che utilizza un centro NV per sondare il suo ambiente e scoprire l'esistenza di diversi difetti di spin nelle vicinanze. Quindi, i ricercatori possono individuare le posizioni dei difetti e controllarli per ottenere uno stato quantico coerente, essenzialmente sfruttandoli come qubit aggiuntivi.

Negli esperimenti, il team ha generato e rilevato la coerenza quantistica tra tre spin elettronici, aumentando le dimensioni del sistema quantistico da un singolo qubit (il centro NV) a tre qubit (aggiungendo due difetti di spin vicini). I risultati dimostrano un passo avanti nell'espansione dei dispositivi quantistici utilizzando i centri NV, dicono i ricercatori.

"Hai sempre difetti di spin sconosciuti nell'ambiente che interagiscono con un centro NV. Diciamo, "Non ignoriamo questi difetti di rotazione, che [se lasciato solo] potrebbe causare una più rapida decoerenza. Impariamo a conoscerli, caratterizzano i loro giri, impara a controllarli, e "reclutarli" per farli parte del sistema quantistico, '" dice il co-autore principale Won Kyu Calvin Sun, uno studente laureato presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria Nucleare e membro del gruppo Ingegneria Quantistica. "Quindi, invece di utilizzare un singolo centro NV [o solo] un qubit, possiamo quindi usare due, tre, o quattro qubit."

Ad unirsi a Sun sul giornale ci sono l'autore principale Alexandre Cooper '16 di Caltech; Jean-Christophe Jaskula, un ricercatore nel Laboratorio di ricerca elettronica del MIT (RLE) e membro del gruppo di ingegneria quantistica al MIT; e Paola Cappellaro, professore presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria Nucleari, un membro di RLE, e capo del gruppo di ingegneria quantistica al MIT.

Difetti caratterizzanti

I centri NV si verificano dove mancano atomi di carbonio in due punti adiacenti nella struttura reticolare di un diamante:un atomo viene sostituito da un atomo di azoto, e l'altro spazio è un "posto vacante" vuoto. Il centro NV funziona essenzialmente come un atomo, con un nucleo e gli elettroni circostanti che sono estremamente sensibili a minuscole variazioni nell'elettricità circostante, magnetico, e campi ottici. Forno a microonde in tutto il centro, ad esempio, lo fa cambiare, e quindi controllo, gli stati di spin del nucleo e degli elettroni.

Gli spin vengono misurati utilizzando un tipo di spettroscopia a risonanza magnetica. Questo metodo traccia le frequenze degli spin di elettroni e nuclei in megahertz come uno "spettro di risonanza" che può abbassarsi e picchiettare, come un cardiofrequenzimetro. Le rotazioni di un centro NV in determinate condizioni sono ben note. Ma i difetti di spin circostanti sono sconosciuti e difficili da caratterizzare.

Nel loro lavoro, i ricercatori hanno identificato, situato, e controllato due difetti di spin elettrone-nucleari vicino a un centro NV. Per prima cosa hanno inviato impulsi a microonde a frequenze specifiche per controllare il centro NV. Contemporaneamente, pulsano un'altra microonde che sonda l'ambiente circostante per altri spin. Hanno quindi osservato lo spettro di risonanza dei difetti di spin che interagiscono con il centro NV.

Lo spettro si è immerso in diversi punti quando l'impulso di sondaggio ha interagito con gli spin elettroni-nucleari vicini, indicando la loro presenza. I ricercatori hanno quindi spazzato un campo magnetico attraverso l'area con diversi orientamenti. Per ogni orientamento, il difetto "girerebbe" a diverse energie, causando diversi cali nello spettro. Fondamentalmente, questo ha permesso loro di misurare lo spin di ogni difetto in relazione a ciascun orientamento magnetico. Hanno quindi inserito le misurazioni dell'energia in un'equazione modello con parametri sconosciuti. Questa equazione è usata per descrivere le interazioni quantistiche di un difetto di spin elettrone-nucleare sotto un campo magnetico. Quindi, potrebbero risolvere l'equazione per caratterizzare con successo ogni difetto.

Localizzare e controllare

Dopo aver individuato i difetti, il passo successivo è stato quello di caratterizzare l'interazione tra i difetti e il NV, che ne individuerebbe contemporaneamente la posizione. Fare così, hanno di nuovo spazzato il campo magnetico con orientamenti diversi, ma questa volta ha cercato cambiamenti nelle energie che descrivono le interazioni tra i due difetti e il centro NV. Più forte è l'interazione, più erano vicini l'uno all'altro. Hanno quindi usato quei punti di forza di interazione per determinare dove si trovavano i difetti, in relazione al centro NV e tra di loro. Ciò ha generato una buona mappa delle posizioni di tutti e tre i difetti nel diamante.

La caratterizzazione dei difetti e la loro interazione con il centro NV consentono il pieno controllo, che richiede alcuni passaggi in più per dimostrare. Primo, pompano il centro NV e l'ambiente circostante con una sequenza di impulsi di luce verde e microonde che aiutano a mettere i tre qubit in uno stato quantico ben noto. Quindi, usano un'altra sequenza di impulsi che idealmente intreccia brevemente i tre qubit, e poi li districa, che consente loro di rilevare la coerenza a tre spin dei qubit.

I ricercatori hanno verificato la coerenza a tre spin misurando un importante picco nello spettro di risonanza. La misura dello spike registrato era essenzialmente la somma delle frequenze dei tre qubit. Se i tre qubit, ad esempio, avessero poco o nessun entanglement, ci sarebbero state quattro punte separate di altezza minore.

"Entriamo in una scatola nera [ambiente con ogni centro NV]. Ma quando esaminiamo l'ambiente NV, iniziamo a vedere cali e ci chiediamo quali tipi di giri ci danno quei tuffi. Una volta che [capiamo] la rotazione dei difetti sconosciuti, e le loro interazioni con il centro NV, possiamo iniziare a controllare la loro coerenza, " dice Sun. "Allora, abbiamo il pieno controllo universale del nostro sistema quantistico".

Prossimo, i ricercatori sperano di comprendere meglio altri rumori ambientali che circondano i qubit. Ciò li aiuterà a sviluppare codici di correzione degli errori più robusti per i circuiti quantistici. Per di più, perché in media il processo di creazione del centro NV nel diamante crea numerosi altri difetti di rotazione, i ricercatori affermano che potrebbero potenzialmente aumentare il sistema per controllare ancora più qubit. "Diventa più complesso con la scala. Ma se possiamo iniziare a trovare centri NV con più picchi di risonanza, puoi immaginare di iniziare a controllare sistemi quantistici sempre più grandi, "dice il sole.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.