Półprzewodnikowe defekty spinowe, zwłaszcza spiny jądrowe z potencjalnie osiągalnymi długimi czasami koherencji, są atrakcyjnymi kandydatami na pamięci kwantowe i czujniki. Jednak ich obecna wydajność jest nadal ograniczona przez rozszczepienie spowodowane zmianami w ich wewnętrznych oddziaływaniach kwadrupolowych i nadsubtelnych.
Naukowcy z MIT zaproponowali niezrównoważone echo, aby przezwyciężyć to wyzwanie. Zespół opracował protokół przedłużający żywotność koherencji kwantowej. Ich metoda osiąga 20-krotny wzrost czasu koherencji dla kubitów spinów jądrowych.
Zespół stworzył strategię, którą nazwał „niezrównoważonym echem”, aby zwiększyć czas koherencji systemu, podobnie jak słuchawki z redukcją szumów wykorzystują określone częstotliwości dźwięku do filtrowania szumów tła.
Zespół był w stanie wydłużyć czas koherencji ze 150 mikrosekund do nawet 3 milisekund dzięki zrozumieniu, w jaki sposób jeden rodzaj hałasu – w tym przypadku ciepło – wpływa na interakcje kwadrupolu jądrowego w układzie.
Guoqing Wang, Ph.D. ’23, niedawny doktorant w laboratorium Cappellaro, który obecnie jest postdoc w MIT, powiedział, „Teoretycznie moglibyśmy nawet wydłużyć ten czas do setek, a nawet tysięcy razy. Ale w praktyce w systemie mogą występować inne źródła szumów, a my pokazaliśmy, że jeśli potrafimy je opisać, możemy je wyeliminować”.
Dmitry Budker, kierownik Sekcji Materii i Antymaterii w Instytucie Helmholtza w Moguncji, profesor na Uniwersytecie Johannesa Gutenberga i Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, powiedział, „Artykuł będzie miał „znaczący wpływ” na przyszłe prace nad urządzeniami kwantowymi”.
„W tej pracy zademonstrowali praktyczny sposób na wydłużenie czasu koherencji jądrowej o rząd wielkości za pomocą pomysłowej techniki echa spinowego, która powinna być stosunkowo łatwa do wdrożenia w aplikacjach”.
Eksperymenty i obliczenia omówione w artykule dotyczą sporego zespołu centrów wakancji azotowych lub centrów NV, które są zanieczyszczeniami w skali atomowej w diamencie. Każde centrum ma zlokalizowany w pobliżu elektron i unikalny kwantowy stan spinowy dla jądra azotu-14.
Trudność polegała na ustaleniu, jak skłonić duże zespoły centrów NV do współpracy. Jednak od dawna są one uznawane za idealny wybór dla czujników kwantowych, żyroskopów, pamięci i innych.
mówi Wang. „Widzimy, że po przygotowaniu wszystkich tych zegarów, początkowo są one ze sobą zsynchronizowane, ale po pewnym czasie całkowicie tracą fazę. Nazywamy to czasem rozfazowania”.
„Chcemy użyć miliarda zegarów, ale osiągnąć taki sam czas synchronizacji jak w przypadku pojedynczego zegara. Pozwala to na uzyskanie ulepszeń z pomiaru wielu zegarów, ale jednocześnie zachowuje spójność fazową, więc nie tracisz informacji kwantowych tak szybko”.
Teoria leżąca u podstaw niejednorodności temperaturowej, która odnosi się do właściwości materiału, opisała teoretyczne podejście do obliczania, w jaki sposób temperatura i odkształcenie wpływają na różne rodzaje interakcji, które mogą prowadzić do dekoherencji.
Jądro azotu zachowuje się jak niekompletny dipol jądrowy, lub innymi słowy, jak subatomowy magnes, który powoduje początkowe oddziaływanie, znane jako jądrowe oddziaływanie kwadrupolowe. Wang twierdzi, że dipol zasadniczo oddziałuje sam ze sobą, jest zakłócony, ponieważ jądro nie jest dokładnie sferyczne.
Oddziaływanie między dipolami magnetycznymi sąsiedniego elektronu i jądra powoduje oddziaływanie nadsubtelne. Oddziaływania te są zmienne czasoprzestrzennie, a w przypadku rozważania grupy kubitów spinu jądrowego może wystąpić rozmycie, ponieważ „zegary w różnych lokalizacjach mogą mieć różne fazy”.
Naukowcy założyli, że scharakteryzowanie wpływu ciepła na te interakcje pozwoli im zrównoważyć ten efekt i wydłużyć czas koherencji systemu.
Wang powiedział: „Temperatura lub odkształcenie wpływają na oba te oddziaływania. Opisana przez nas teoria przewidywała wpływ temperatury lub odkształcenia na kwadrupol i nadsubtelność. Następnie niezrównoważone echo, które opracowaliśmy w tej pracy, zasadniczo niweluje dryf widmowy spowodowany jedną interakcją fizyczną za pomocą innej interakcji fizycznej, wykorzystując ich korelację wywołaną tym samym szumem”.
„Kluczową nowością tej pracy, w porównaniu z istniejącymi technikami echa spinowego powszechnie stosowanymi w społeczności kwantowej, jest wykorzystanie różnych szumów interakcji do wzajemnego anulowania, tak aby szumy, które mają być anulowane, mogły być wysoce selektywne. Ekscytujące jest jednak to, że możemy wykorzystać ten system na inne sposoby”.
„Moglibyśmy więc użyć go do wykrywania temperatury lub niejednorodności przestrzenno-czasowej pola odkształcenia. Może to być dobre dla systemów biologicznych, w których nawet bardzo niewielka zmiana temperatury może mieć znaczące skutki”.
Technologia ta może monitorować pola odkształceń, co czyni ją przydatną do nieniszczącej oceny stanu strukturalnego budynków. Może być również wykorzystywana do sprawdzania prądów elektrycznych w pojazdach elektrycznych. Gdyby na przykład most był wyposażony w takie czujniki, moglibyśmy określić jego poziom naprężenia. W rzeczywistości czujniki diamentowe są już wykorzystywane do oceny rozkładu temperatury na powierzchni materiałów ze względu na ich potencjał jako podatnego czujnika o wysokiej rozdzielczości przestrzennej.
mówi Li, „Innym zastosowaniem może być biologia. Naukowcy wykazali wcześniej, że wykorzystanie czujników kwantowych do mapowania aktywności neuronów z pól elektromagnetycznych może zaoferować potencjalne ulepszenia, umożliwiając lepsze zrozumienie niektórych procesów biologicznych”.
„System opisany w artykule może również stanowić znaczący krok naprzód w dziedzinie pamięci kwantowej”.
Chociaż obecnie istnieje kilka metod zwiększania czasu koherencji kubitów do wykorzystania w pamięci kwantowej, procedury te są trudne i często wymagają „odwrócenia” centrów NV lub odwrócenia ich spinu. Podczas odwracania dryfu widmowego, który powoduje dekoherencję, proces ten powoduje również utratę wszelkich informacji zakodowanych w systemie.
Nowy system rozwija obliczenia kwantowe, zapobiegając utracie danych i wydłużając okres koherencji kubitów poprzez wyeliminowanie wymogu odwrócenia spinu.
Naukowcy będą nadal badać nowe źródła szumów w systemie, takie jak fluktuacje zakłóceń pola elektrycznego, aby znaleźć sposoby na ich złagodzenie i wydłużenie czasu koherencji.
powiedział Li, „Teraz, gdy osiągnęliśmy 20-krotną poprawę, zastanawiamy się, jak możemy ją jeszcze bardziej poprawić, ponieważ z natury to niezrównoważone echo może osiągnąć prawie nieskończoną poprawę”.
„Zastanawiamy się również, w jaki sposób możemy zastosować ten system do stworzenia żyroskopu kwantowego, ponieważ czas koherencji jest tylko jednym z kluczowych parametrów budowy żyroskopu, a istnieją inne parametry, które staramy się zoptymalizować, aby (zrozumieć) czułość, jaką możemy osiągnąć w porównaniu z poprzednimi technikami”.
Odniesienie do czasopisma:
- Guoqing Wang, Ariel Rebekah Barr, Hao Tang, Mo Chen, Changhao Li, haowei Xu, Andrew Stasiuk, Ju Li i Paola Cappellaro. Characterizing Temperature and Strain Variations with Qubit Ensembles for their Robust Coherence Protection (Charakterystyka zmian temperatury i odkształceń za pomocą zespołów kubitów w celu zapewnienia ich niezawodnej ochrony przed koherencją). Physical Review Letters. DOI: 10.1103/physrevlett.131.043602
– Reklama -.