Физикам удалось преодолеть дифракционный предел в независимом управлении спиновыми кубитами

Физики научились управлять спиновыми кубитами, расстояние между которыми не превышает дифракционный предел. Они использовали оптическое и микроволновое излучение для измерения состояния кубитов и научились ими управлять с помощью переменного эффекта Штарка. Работа опубликована в журнале Science.

Одна из возможных реализаций кубита — использование спиновых дефектов в кристаллах. Наличие дефектов всегда говорит о нарушении кристаллической структуры твердого тела. Из множества разных видов дефектов для реализации кубита подходит система из иона, который находится не на своем месте (не в узле кристаллической решетки) и вакансии (пустого узла). Чаще всего такие дефекты можно получить ионным легированием, если бомбардировать бездефектный кристалл ионами другого вещества. Спиновыми дефекты называются из-за того, что помимо ионов они состоят из электронов с определенным значением спина. Именно положение спина этого электрона используется для кодирования информации.

В настоящее время, один из самых популярных материалов для реализации спиновых кубитов — алмаз с азотными вакансиями, которые называют NV-центрами (N — азот, V — вакансия). Как и любые кубиты на дефектах, они отличаются стабильностью, особенно в сравнении с другими платформами для квантовых вычислений (на нейтральных атомах или ионах, например). Однако, для реализации сложных логических операции необходимо, чтобы дефекты-кубиты сильно взаимодействовали друг с другом. Технически это означает, что они должны располагаться очень близко. Такую структуру сложно не только реализовать, но и исследовать.

Ученые из Принстонского университета под руководством Джефа Томпсона (Jeff D. Thompson) на примере ионов эрбия в кристалле иттриевого ортосиликата показали, что можно управлять и измерять даже очень близкорасположенные кубиты.

При облучении светом определенной длины волны дефекты начинают люминесцировать. Для того чтобы усилить интенсивность излучения от дефектов, ученые поместили систему в резонатор. Интересно, что длины волн накачки для каждого дефекта в одном и том же кристалле немного отличаются. Это помогает различать дефекты вне зависимости от того, на каком расстоянии друг от друга они располагаются. Достаточно просто измерить спектр излучения от всего кристалла при разных длинах волн и подобрать длину волны накачки под каждый отдельный дефект. По спектру люминесценции авторы выбрали два кубита, на которых продемонстрировали процессы инициализации и измерения.

Помещение кристалла с дефектами в магнитное поле приводит к расщеплению энергетических уровней каждого кубита-дефекта: два отвечают за состояние «спин вверх», а два за состояние «спин вниз». Оптическое излучение не меняет состояние кубита и только позволяет переводить систему из основного состояния в возбужденное. Переход между состояниями с разными спинами можно осуществлять с помощью микроволнового излучения. Тот факт, что для разных видов переходов необходимо различное излучение упрощает управление всей системой. Если кубит находится в основном состоянии со спином вверх, то после оптического облучения он все еще будет в состоянии со спином вверх, а после дополнительного облучения микроволнами перейдет в состояние «спин вниз». Это и есть процесс инициализации. Для того чтобы понять, в каком состоянии сейчас находится кубит нужно попробовать разные длина волн для его накачки. Они оказываются разными не только для разных дефектов, но и для разных состояний спина одного дефекта. Поэтому, отклик на определенную длину волны накачки скажет о том, какой кубит в каком состоянии находится.

Помимо тестирования двух дефектов в отдельности, ученые научились управлять четырьмя кубитами одновременно и показали реализацию универсального однокубитного гейта.

Для дальнейших работ и создания более масштабных и сложных вычислителей, авторы планируют использовать другой материал в качестве кристалла и совершенствовать технологию изготовления структур.

Несмотря на то, что по масштабности исследований, спиновые кубиты уступают вычислителям на нейтральных атомах, ионах или сверхпроводниках, они продолжают показывать новые интересные результаты. Из-за удобства интеграции систем на кристаллических дефектах, физикам удалось собрать 128-кубитный чип на фотонной интегральной схеме. А американские ученые научились управлять дефектами в алмазе с помощью звука.

Оксана Борзенкова