Em um avanço que pode ajudar os pesquisadores a escalar dispositivos quânticos, uma equipe do MIT desenvolveu um método para "recrutar" bits quânticos vizinhos feitos de defeitos em nanoescala no diamante, de modo que, em vez de causar interrupções, eles ajudam a realizar operações quânticas.

Dispositivos quânticos realizam operações usando bits quânticos, chamado de "qubits, "que pode representar os dois estados correspondentes aos bits binários clássicos - um zero ou um - ou uma" superposição quântica "de ambos os estados simultaneamente. O estado de superposição único pode permitir que os computadores quânticos resolvam problemas que são praticamente impossíveis para os computadores clássicos, potencialmente estimulando avanços em biossensor, neuroimagem, aprendizado de máquina, e outros aplicativos.

Um candidato qubit promissor é um defeito no diamante, chamado de centro de vacância de nitrogênio (NV), que contém elétrons que podem ser manipulados por luz e microondas. Em resposta, o defeito emite fótons que podem transportar informações quânticas. Por causa de seus ambientes de estado sólido, Contudo, Os centros NV estão sempre rodeados por muitos outros defeitos desconhecidos com diferentes propriedades de rotação, chamados de "defeitos de rotação". Quando o qubit centro NV mensurável interage com esses defeitos de rotação, o qubit perde seu estado quântico coerente - "descoheres" - e as operações se desfazem. As soluções tradicionais tentam identificar esses defeitos perturbadores para proteger o qubit deles.

Em um artigo publicado em 25 de fevereiro na Physical Letters Review, os pesquisadores descrevem um método que usa um centro NV para sondar seu ambiente e descobrir a existência de vários defeitos de rotação próximos. Então, os pesquisadores podem apontar a localização dos defeitos e controlá-los para atingir um estado quântico coerente - essencialmente alavancando-os como qubits adicionais.

Em experimentos, a equipe gerou e detectou coerência quântica entre três spins eletrônicos - aumentando o tamanho do sistema quântico de um único qubit (o centro NV) para três qubits (adicionando dois defeitos de spin próximos). Os resultados demonstram um passo à frente na ampliação de dispositivos quânticos usando centros NV, dizem os pesquisadores.

“Você sempre tem defeitos de rotação desconhecidos no ambiente que interagem com um centro NV. "Não vamos ignorar esses defeitos de rotação, que [se deixado sozinho] pode causar decoerência mais rápida. Vamos aprender sobre eles, caracterizar seus spins, aprender a controlá-los, e 'recrutá-los' para fazer parte do sistema quântico, '"diz o co-autor principal Won Kyu Calvin Sun, um estudante de pós-graduação no Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear e um membro do grupo de Engenharia Quântica. "Então, em vez de usar um único centro NV [ou apenas] um qubit, podemos então usar dois, três, ou quatro qubits. "

Juntando-se à Sun no papel estão o autor principal Alexandre Cooper '16 do Caltech; Jean-Christophe Jaskula, um cientista pesquisador no Laboratório de Pesquisa Eletrônica do MIT (RLE) e membro do grupo de Engenharia Quântica do MIT; e Paola Cappellaro, um professor do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear, um membro da RLE, e chefe do grupo de Engenharia Quântica no MIT.

Caracterizando defeitos

Os centros NV ocorrem onde átomos de carbono em dois lugares adjacentes na estrutura de rede de um diamante estão faltando - um átomo é substituído por um átomo de nitrogênio, e o outro espaço é uma "vaga" vazia. O centro NV funciona essencialmente como um átomo, com um núcleo e elétrons circundantes que são extremamente sensíveis a pequenas variações na eletricidade circundante, magnético, e campos ópticos. Varredura de micro-ondas no centro, por exemplo, faz mudar, e, portanto, controle, os estados de spin do núcleo e elétrons.

Os giros são medidos usando um tipo de espectroscopia de ressonância magnética. Este método plota as frequências de giros de elétrons e núcleos em megahertz como um "espectro de ressonância" que pode cair e aumentar, como um monitor cardíaco. As rotações de um centro NV sob certas condições são bem conhecidas. Mas os defeitos de rotação circundantes são desconhecidos e difíceis de caracterizar.

Em seu trabalho, os pesquisadores identificaram, localizado, e controlou dois defeitos de spin elétron-nuclear perto de um centro NV. Eles primeiro enviaram pulsos de microondas em frequências específicas para controlar o centro NV. Simultaneamente, eles pulsam outra micro-ondas que sonda o ambiente circundante em busca de outras rotações. Eles então observaram o espectro de ressonância dos defeitos de spin interagindo com o centro NV.

O espectro caiu em vários pontos quando o pulso de sondagem interagiu com spins elétron-nucleares próximos, indicando sua presença. Os pesquisadores então varreram um campo magnético em toda a área em diferentes orientações. Para cada orientação, o defeito "giraria" em energias diferentes, causando diferentes quedas no espectro. Basicamente, isso permitiu medir o spin de cada defeito em relação a cada orientação magnética. Eles então conectaram as medições de energia em uma equação modelo com parâmetros desconhecidos. Esta equação é usada para descrever as interações quânticas de um defeito de spin elétron-nuclear sob um campo magnético. Então, eles poderiam resolver a equação para caracterizar com sucesso cada defeito.

Localizando e controlando

Após caracterizar os defeitos, a próxima etapa foi caracterizar a interação entre os defeitos e o NV, que simultaneamente identificaria suas localizações. Para fazer isso, eles novamente varreram o campo magnético em diferentes orientações, mas desta vez procurou por mudanças nas energias que descrevem as interações entre os dois defeitos e o centro NV. Quanto mais forte for a interação, quanto mais próximos eles estavam um do outro. Eles então usaram essas forças de interação para determinar onde os defeitos estavam localizados, em relação ao centro NV e entre si. Isso gerou um bom mapa da localização de todos os três defeitos do diamante.

Caracterizar os defeitos e sua interação com o centro NV permite controle total, que envolve mais algumas etapas para demonstrar. Primeiro, eles bombeiam o centro NV e o ambiente circundante com uma sequência de pulsos de luz verde e microondas que ajudam a colocar os três qubits em um conhecido estado quântico. Então, eles usam outra sequência de pulsos que idealmente emaranha os três qubits brevemente, e então os desembaraça, o que permite que eles detectem a coerência de três spin dos qubits.

Os pesquisadores verificaram a coerência de três spin medindo um grande pico no espectro de ressonância. A medição do pico registrado foi essencialmente a soma das frequências dos três qubits. Se os três qubits, por exemplo, tinham pouco ou nenhum emaranhamento, teria havido quatro pontas separadas de altura menor.

"Chegamos a uma caixa preta [ambiente com cada centro NV]. Mas quando sondamos o ambiente NV, começamos a ver quedas e nos perguntamos quais tipos de giros nos dão essas quedas. Depois de [descobrir] a rotação dos defeitos desconhecidos, e suas interações com o centro NV, podemos começar a controlar sua coerência, "Diz o Sol." Então, temos total controle universal de nosso sistema quântico. "

Próximo, os pesquisadores esperam entender melhor outros ruídos ambientais em torno dos qubits. Isso os ajudará a desenvolver códigos de correção de erros mais robustos para circuitos quânticos. Além disso, porque, em média, o processo de criação do centro NV em diamante cria vários outros defeitos de rotação, os pesquisadores dizem que podem aumentar o sistema para controlar ainda mais qubits. "Fica mais complexo com a escala. Mas se pudermos começar a encontrar centros NV com mais picos de ressonância, você pode imaginar começando a controlar sistemas quânticos cada vez maiores, "Sun diz.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.