Dans une avancée qui pourrait aider les chercheurs à étendre les dispositifs quantiques, une équipe du MIT a développé une méthode pour "recruter" des bits quantiques voisins constitués de défauts nanométriques dans le diamant, de sorte qu'au lieu de provoquer des perturbations, ils aident à effectuer des opérations quantiques.

Les appareils quantiques effectuent des opérations à l'aide de bits quantiques, appelé "qubits, " qui peut représenter les deux états correspondant aux bits binaires classiques - un zéro ou un - ou une " superposition quantique " des deux états simultanément. L'état de superposition unique peut permettre aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes pratiquement impossibles pour les ordinateurs classiques, potentiellement stimuler des percées dans la biodétection, neuroimagerie, apprentissage automatique, et d'autres applications.

Un candidat qubit prometteur est un défaut du diamant, appelé centre de vacance d'azote (NV), qui contient des électrons qui peuvent être manipulés par la lumière et les micro-ondes. En réponse, le défaut émet des photons pouvant véhiculer des informations quantiques. En raison de leurs environnements à semi-conducteurs, cependant, Les centres NV sont toujours entourés de nombreux autres défauts inconnus avec des propriétés de spin différentes, appelés "défauts d'essorage". Lorsque le qubit du centre NV mesurable interagit avec ces défauts de spin, le qubit perd son état quantique cohérent — « décohère » — et les opérations s'effondrent. Les solutions traditionnelles tentent d'identifier ces défauts perturbateurs pour en protéger le qubit.

Dans un article publié le 25 février dans Physical Letters Review, les chercheurs décrivent une méthode qui utilise un centre NV pour sonder son environnement et découvrir l'existence de plusieurs défauts de spin à proximité. Puis, les chercheurs peuvent localiser les emplacements des défauts et les contrôler pour obtenir un état quantique cohérent, en les utilisant essentiellement comme des qubits supplémentaires.

Dans les expériences, l'équipe a généré et détecté une cohérence quantique entre trois spins électroniques, augmentant la taille du système quantique d'un seul qubit (le centre NV) à trois qubits (en ajoutant deux défauts de spin à proximité). Les résultats démontrent un pas en avant dans la mise à l'échelle des dispositifs quantiques à l'aide de centres NV, disent les chercheurs.

"Vous avez toujours des défauts de spin inconnus dans l'environnement qui interagissent avec un centre NV. Nous disons, "N'ignorons pas ces défauts de spin, qui [si laissé seul] pourrait provoquer une décohérence plus rapide. Apprenons à leur sujet, caractériser leurs tours, apprendre à les contrôler, et les "recruter" pour faire partie du système quantique, '", déclare le co-auteur principal Won Kyu Calvin Sun, un étudiant diplômé du Département de science et de génie nucléaires et membre du groupe de génie quantique. "Puis, au lieu d'utiliser un seul centre NV [ou juste] un qubit, on peut alors en utiliser deux, Trois, ou quatre qubits."

L'auteur principal Alexandre Cooper '16 de Caltech rejoint Sun sur le papier; Jean-Christophe Jaskula, chercheur au MIT Research Laboratory of Electronics (RLE) et membre du groupe Quantum Engineering au MIT; et Paola Cappellaro, professeur au Département de science et de génie nucléaires, membre de RLE, et chef du groupe Quantum Engineering au MIT.

Caractérisation des défauts

Les centres NV se produisent là où il manque des atomes de carbone à deux endroits adjacents dans la structure en treillis d'un diamant - un atome est remplacé par un atome d'azote, et l'autre espace est une "vacance" vide. Le centre NV fonctionne essentiellement comme un atome, avec un noyau et des électrons environnants extrêmement sensibles à de minuscules variations de l'électricité environnante, magnétique, et champs optiques. Balayant les micro-ondes au centre, par exemple, le fait changer, et ainsi contrôler, les états de spin du noyau et des électrons.

Les spins sont mesurés à l'aide d'un type de spectroscopie par résonance magnétique. Cette méthode trace les fréquences des spins des électrons et du noyau en mégahertz sous la forme d'un "spectre de résonance" qui peut plonger et augmenter, comme un moniteur cardiaque. Les spins d'un centre NV dans certaines conditions sont bien connus. Mais les défauts de spin environnants sont inconnus et difficiles à caractériser.

Dans leur travail, les chercheurs ont identifié, situé, et contrôlé deux défauts de spin électron-nucléaire près d'un centre NV. Ils ont d'abord envoyé des impulsions micro-ondes à des fréquences spécifiques pour contrôler le centre NV. Simultanément, ils pulsent une autre micro-onde qui sonde l'environnement environnant pour d'autres spins. Ils ont ensuite observé le spectre de résonance des défauts de spin interagissant avec le centre NV.

Le spectre a plongé à plusieurs endroits lorsque l'impulsion de sondage a interagi avec les spins électron-nucléaires à proximité, indiquant leur présence. Les chercheurs ont ensuite balayé un champ magnétique à travers la zone à différentes orientations. Pour chaque orientation, le défaut "tournerait" à différentes énergies, provoquant différents creux dans le spectre. Essentiellement, cela leur a permis de mesurer le spin de chaque défaut par rapport à chaque orientation magnétique. Ils ont ensuite branché les mesures d'énergie dans une équation de modèle avec des paramètres inconnus. Cette équation est utilisée pour décrire les interactions quantiques d'un défaut de spin électron-nucléaire sous un champ magnétique. Puis, ils pourraient résoudre l'équation pour caractériser avec succès chaque défaut.

Localiser et contrôler

Après avoir caractérisé les défauts, l'étape suivante consistait à caractériser l'interaction entre les défauts et la NV, qui localiserait simultanément leurs emplacements. Faire cela, ils ont à nouveau balayé le champ magnétique à différentes orientations, mais cette fois on a cherché des changements d'énergies décrivant les interactions entre les deux défauts et le centre NV. Plus l'interaction est forte, plus ils étaient proches l'un de l'autre. Ils ont ensuite utilisé ces forces d'interaction pour déterminer où se trouvaient les défauts, par rapport au centre NV et entre eux. Cela a généré une bonne carte des emplacements des trois défauts du diamant.

La caractérisation des défauts et leur interaction avec le centre NV permettent un contrôle total, ce qui implique quelques étapes supplémentaires à démontrer. D'abord, ils pompent le centre NV et l'environnement environnant avec une séquence d'impulsions de lumière verte et de micro-ondes qui aident à mettre les trois qubits dans un état quantique bien connu. Puis, ils utilisent une autre séquence d'impulsions qui entremêlent idéalement les trois qubits brièvement, puis les démêle, ce qui leur permet de détecter la cohérence à trois spins des qubits.

Les chercheurs ont vérifié la cohérence à trois spins en mesurant un pic majeur dans le spectre de résonance. La mesure du pic enregistré était essentiellement la somme des fréquences des trois qubits. Si les trois qubits par exemple avaient peu ou pas d'intrication, il y aurait eu quatre pointes distinctes de plus petite hauteur.

« Nous entrons dans une boîte noire [environnement avec chaque centre NV]. Mais lorsque nous sondons l'environnement NV, nous commençons à voir des creux et nous nous demandons quels types de tours nous donnent ces creux. Une fois que nous [comprenons] la rotation des défauts inconnus, et leurs interactions avec le centre NV, nous pouvons commencer à contrôler leur cohérence, " dit Sun. " Alors, nous avons le contrôle universel total de notre système quantique."

Prochain, les chercheurs espèrent mieux comprendre les autres bruits environnementaux entourant les qubits. Cela les aidera à développer des codes de correction d'erreurs plus robustes pour les circuits quantiques. Par ailleurs, car en moyenne, le processus de création du centre NV dans le diamant crée de nombreux autres défauts de spin, les chercheurs disent qu'ils pourraient potentiellement étendre le système pour contrôler encore plus de qubits. "Cela devient plus complexe avec l'échelle. Mais si nous pouvons commencer à trouver des centres NV avec plus de pics de résonance, vous pouvez imaginer commencer à contrôler des systèmes quantiques de plus en plus grands, " dit Soleil.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.