Квантовая память, состоящая из спинов электронов или азота в центрах NV в алмазе, к которым можно получить индивидуальный доступ с помощью света и которыми можно точно манипулировать микроволнами. Предоставлено: Йокогамский национальный университет.

Квантовые вычисления, область, которая опирается на принципы квантовой механики для расчета результатов, потенциально могут выполнять задачи, слишком сложные для традиционных компьютеров, и делать это на высоких скоростях, что в некотором смысле делает их новым рубежом для науки и техники. Чтобы достичь того момента, когда квантовые компьютеры смогут реализовать свой ожидаемый потенциал производительности, необходима разработка крупномасштабных квантовых процессоров и квантовой памяти. Точное управление кубитами — или квантовыми битами, основными строительными блоками квантовых компьютеров — имеет решающее значение для этого, но методы управления кубитами имеют ограничения для массивных высокоплотных соединений с высокой точностью.

Теперь исследователи из Йокогамского национального университета в Японии нашли способ точного управления кубитами без прежних ограничений. Их результаты были опубликованы в Nature Photonics 26 июля 2022 года.

«Микроволны обычно используются для индивидуального квантового управления, но требуется индивидуальная проводка микроволновых линий», — сказал автор статьи Хидео Косака, директор Исследовательского центра квантовой информации в Институте перспективных наук и профессор кафедры физики в аспирантуре. Инженерная школа Йокогамского национального университета. «С другой стороны, можно манипулировать кубитами локально, но не точно, с помощью света».

Косака и другие исследователи смогли продемонстрировать управление кубитами, манипулируя спином электрона с помощью комбинации микроволновых манипуляций и локального оптического смещения частот перехода атомов и молекул, процесса, известного как штарковский сдвиг, с использованием азотно-вакансионного центра точечного дефекта — в алмазе. Другими словами, они смогли объединить оптические методы, основанные на свете лазеров, с микроволнами, чтобы преодолеть предыдущие ограничения.

Исследователи также смогли продемонстрировать, что этот контроль спина электрона может, в свою очередь, управлять ядерным спином атома азота в центре вакансий азота, а также взаимодействием между электронным и ядерным спинами. Это важно, потому что позволяет точно управлять кубитами без проблем с проводкой.

«Одновременное облучение светом и микроволнами позволяет индивидуально и точно управлять кубитами без индивидуальной проводки», — сказал Косака. «Это проложило путь для крупномасштабных квантовых процессоров и квантовой памяти, которые необходимы для разработки крупномасштабных квантовых компьютеров».

Кроме того, исследователи смогли создать квантовую запутанность — состояние, в котором частицы существуют в одном и том же состоянии, даже если они физически разделены — между электронным и ядерным спинами, чтобы подготовить фотонное состояние для перехода в состояние ядерного спина. Это позволяет установить связь между кубитами с фотоном и, в конечном итоге, потребует меньше вычислительной мощности и позволит передавать информацию в квантовые процессоры и квантовую память по принципу квантовой телепортации.

Новый метод соответствует всем критериям Ди Винченцо, необходимым для функционирования квантового компьютера, и включает в себя масштабируемость, инициализацию, измерение, универсальный вентиль и длинную когерентность. Его также можно применять помимо штарковского сдвига и других схем магнитного поля для индивидуального управления кубитами в этих сценариях, и он может защитить от распространенных типов вычислительных ошибок, таких как ошибки вентиля или шум окружающей среды.

«Причина повышения точности нашей схемы по сравнению с полностью оптическими схемами заключается в использовании избыточной степени свободы, которую легче контролировать», — сказал Косака, имея в виду количество переменных, которыми можно управлять с помощью этого метода.

По словам исследователей, это продвижение является шагом к квантовым вычислениям в более широком масштабе.

«Путем дальнейшего улучшения разрешения отдельных квантовых операций и операций запутывания могут быть реализованы крупномасштабные интегрированные алмазные квантовые компьютеры, квантовые хранилища и квантовые датчики», — сказал Косака. «Это также улучшит пропускную способность сети квантовых повторителей для дальней квантовой связи и распределенной сети квантовых компьютеров или квантового Интернета».

Другими авторами статьи были Юхей Секигучи из Института перспективных наук Йокогамского национального университета, а также Казуки Мацусита и Йошики Кавасаки, оба из физического факультета Высшей инженерной школы Йокогамского национального университета.