В новом исследовании Physical Review Letters ученые предлагают новый метод объединения твердотельных спиновых кубитов с наномеханическими резонаторами для масштабируемых и программируемых квантовых систем.
Квантовая обработка информации требует, чтобы кубиты имели длительное время когерентности, стабильность и масштабируемость. Твердотельные спиновые кубиты являются кандидатами, рассматриваемыми для этих приложений, поскольку они обладают длительным временем когерентности. Однако они не масштабируемы.
Исследование PRL , проведенное Фрэнки Фангом, аспирантом в группе профессора Михаила Лукина в Гарвардском университете, рассмотрело эту проблему в интервью Phys.
Он сказал: «Хотя были продемонстрированы небольшие квантовые регистры, использующие твердотельные спиновые кубиты, они полагаются на магнитные дипольные взаимодействия, которые ограничивают диапазон взаимодействия десятками нанометров. Короткое расстояние взаимодействия и сложность изготовления спиновых кубитов последовательно на столь близких расстояниях делают сложным управление системами, содержащими большие массивы кубитов».
В исследовании PRL ученые предложили архитектуру, которая опосредует взаимодействие между спиновыми кубитами с помощью наномеханического резонатора — механического осциллятора.
Алмазы как кубиты
Подход группы основывался на использовании вакансий азота в алмазах, действующих как кубиты.
Как правило, структуры алмаза состоят из атомов углерода в тетраэдрической структуре, то есть они связаны с четырьмя другими атомами углерода.
Однако, используя такие методы, как химическое осаждение из паровой фазы , один из атомов углерода может быть заменен атомом азота. Это приводит к отсутствию атома углерода рядом с азотом, создавая вакансию.
Атом азота, соседствующий с вакансией, образует NV-центр, имеющий неспаренный электрон со спиновыми состояниями, используемыми в качестве кубитов.
Центры NV предлагают множество преимуществ благодаря своим уникальным оптическим свойствам. Они имеют длительное время когерентности, что означает, что их взаимодействие с окружающей средой низкое, что делает их очень стабильными.
Кроме того, они оптически совместимы, что означает, что легко вводить и выводить информацию с помощью света. Поскольку у них неспаренные электроны, они также очень чувствительны к магнитным полям.
Эти свойства делают их идеальными для использования в качестве кубитов, особенно при интеграции с твердотельными устройствами.
Проблема возникает из-за короткодействующего взаимодействия между самими кубитами. Это происходит потому, что твердотельные спиновые кубиты взаимодействуют друг с другом посредством магнитных дипольных взаимодействий, которые являются короткодействующими.
Взаимодействие между кубитами необходимо для создания запутанных состояний, которые являются основой квантовой обработки информации.
Механические резонаторы как медиаторы
Для решения проблемы дальнодействующего взаимодействия кубитов исследователи предлагают связать NV-центры в алмазах с механическими резонаторами.
«Наше исследование направлено на использование наномеханических резонаторов для опосредования взаимодействий между этими спиновыми кубитами. В частности, мы предлагаем новую архитектуру, в которой спиновые кубиты внутри отдельных сканирующих зондовых наконечников могут перемещаться по наномеханическому резонатору, который опосредует спин-спиновые взаимодействия», — пояснил Фунг.
Наномеханические резонаторы — это крошечные структуры, которые могут колебаться на высоких частотах (обычно в наномасштабах). Они чувствительны к внешним полям и силам.
Связывая кубиты с наномеханическим резонатором, исследователи создают способ нелокальных взаимодействий кубитов . Это потенциально позволяет создавать крупномасштабные квантовые процессоры, устраняя недостаток масштабируемости твердотельных квантовых систем.
Усовершенствование архитектуры
Таким образом, архитектура исследовательской группы состоит из спинового кубита внутри отдельных сканирующих зондовых наконечников, которые представляют собой точные сканирующие устройства, способные собирать информацию.
«Наконечники сканирующих зондов можно перемещать по механическому резонатору, который опосредует спин-спиновые взаимодействия. Поскольку мы можем выбирать, какие кубиты перемещать по этому механическому резонатору, мы можем создавать программируемую связь между спиновыми кубитами», — пояснил Фунг.
Отдельные кубиты представляют собой NV-центры внутри алмазного наностолбика. Такая структура позволяет NV-центру находиться рядом с микромагнитом, который создает магнитное поле, используемое для управления состоянием спина электрона.
«Также помогает то, что наностолбик действует как волновод, который снижает мощность лазера, необходимую для возбуждения NV-центра», — добавил Фанг. Это происходит потому, что наностолбик направляет лазер точно в нужное место, в NV-центр.
Микромагнит расположен на нанобалке из нитрида кремния, завершая наномеханический резонатор.
Теоретически установка работает следующим образом. Микромагнит создает магнитное поле вокруг кубита и резонатора. Это магнитное поле изменяет состояние электронного спина кубита.
Изменение спинового состояния заставляет кубит взаимодействовать с наномеханическим резонатором иначе, чем раньше, заставляя его колебаться с другой частотой. Это колебание влияет на другие кубиты, влияя на их спиновое состояние.
Архитектура допускает нелокальные взаимодействия кубитов.
Возможность реализации архитектуры и гибридные квантовые системы
Чтобы показать, что их архитектура достижима, исследователи продемонстрировали когерентность кубита при механическом перемещении микромагнита.
Фунг сказал: «В качестве проверки принципа измерения мы сохранили некоторую когерентную информацию в центре NV, переместили ее в большом градиенте поля и показали, что впоследствии информация сохранилась».
Когерентность также была продемонстрирована с помощью добротности, указывающей на эффективность резонансной системы.
Для архитектуры добротность составила около миллиона при низких температурах, что говорит о том, что нанолучевой резонатор может поддерживать высококогерентное механическое движение, несмотря на функционализацию микромагнитом. Однако наивысший зарегистрированный добротность для механических резонаторов составляет 10 миллиардов.
«Хотя эта связь пока недостаточно сильна, чтобы воплотить эту архитектуру в реальность, мы считаем, что есть несколько реалистичных улучшений, которые могли бы нам в этом помочь», — сказал Фунг.
Исследователи работают над созданием оптической полости с наномеханическим резонатором.
Фунг объяснил: «Полость позволит нам не только точнее измерять механическое движение, но и потенциально подготовить механический резонатор в его основном состоянии. Это значительно расширяет эксперименты, которые мы можем проводить, например, перенос одного кванта информации из спина в механику и наоборот».
Исследователи также полагают, что наномеханические резонаторы являются идеальными посредниками между различными кубитами, поскольку они могут взаимодействовать с различными силами, такими как кулоновское отталкивание и давление излучения.
«Гибридная квантовая система может использовать преимущества различных видов кубитов, одновременно смягчая их недостатки. Поскольку наномеханические резонаторы могут быть изготовлены на кристалле, их можно интегрировать с другими компонентами, такими как электрическая схема или оптический резонатор, что открывает возможности для дальних соединений», — заключил Фунг.
