A hiba az új hibátlan

Az új megoldás összegyűjti azokat a hibákat, amelyek általában zavarokat okoznak a kvantumszámítástechnika működésében, és ezeket melőzés vagy eliminálás helyett inkább kvantumműveletek végrehajtására használja fel.

A nitrogén-üresedési központ (NV) egy egyedi tulajdonságokkal bíró ponthiba gyémántokban. Olyan elektronokat tart csapdában, amelyek fény és mikrohullámok segítségével vezérelhetőek. Ennek eredményeként a hiba fotonokat bocsát ki, amelyek képesek kvantuminformációt hordozni.

A gyémánt nitrogén-üresedési központjai (NV) kiváló jelöltek arra, hogy összefonódott állapotokat teremtsenek szilárd állapotú környezetben, akár szobahőmérsékleten is.

Szilárd környezetük miatt az NV központokat mindig sok másik ismeretlen hiba veszi körül, amelyek eltérő spin tulajdonságokkal rendelkeznek, úgynevezett „spinhibákkal”. A NV-központ-qubit és a spinhiba közötti kölcsönhatás a qubit kvantumállapotának elvesztéséhez vezet, ezért működési hibát okoz.

A hagyományos megoldások megpróbálják azonosítani ezeket a zavaró hibákat, hogy megóvják a tőlük a qubitet. Az MIT tudósai nemrégiben azonban találtak egy olyan módszert, amely egy NV központot használ a környezet tesztelésére és számos közeli spinhiba létének feltárására. Ez a módszer segíthet a tudósoknak a hibák helyének meghatározásában, hogy ellenőrizés alá vonhassák azokat, a koherens kvantumállapot elérése érdekében.

Ellenőrzés alá vonás

A kutatás során a tudósok azonosítottak, és ellenőrzés alá vettek két elektron-nukleáris spin hibát egy NV központ közelében. Mikrohullámú kontroll impulzusokat küldtek a kívánt frekvencián az NV központ vezérléséhez, és miközben ezt tették, egy második pulzáló mikrohullámú impulzust is használtak, amely a környezetet pásztázta más spinhibák feltárása céljából. 

Ezután megfigyelték az spinhibák rezonancia spektrumát, amely kölcsönhatásba lépett az NV-centrummal. A spektrum több ponton lesüllyedt, amikor a felderítő impulzus kölcsönhatásba lépett a közeli elektron-nukleáris spinekkel, feltárva ezzel jelenlétüket. A tudósok ezután mágneses térrel söpörtek végig az érintett térségen különböző irányokban, ami lehetővé tette számukra az egyes hibák spinjeinek számszerű meghatározását a mágneses tájolásokhoz viszonyítva.

A későbbiekben az energia-mérések eredményeit behelyettesítették egy modell egyenletbe, ami arra használatos, hogy leírja az elektron-nukleáris spin hiba kvantum kölcsönhatásait mágneses mező alatt. Ezután már csak meg kellett oldják az egyenletet az egyes hibák sikeres jellemzésére. 

A következő lépés a hibák és az NV közötti kölcsönhatás jellemzése volt. Ehhez a tudósok ismét eltérő irányokban mozdították el a mágneses teret, de ezúttal olyan energia-változásokat kerestek, amelyek a két hiba és az NV központ közötti kölcsönhatásokat írják le. Minél erősebb volt az interakció, annál közelebb voltak egymáshoz.  Az interakciók erősségei meghatározták a hibák helyét az NV központhoz, és egymáshoz viszonyítva is. Ezzel kiváló térkép készülhetett a gyémánt mindhárom hibájának pontos helyéről.

A hibák jellemzése és az NV központtal való viszonyuk megismerése lehetővé tette a tudósok számára a teljes, néhány lépésből álló ellenőrzést. 

1. Kezdetnek, először pulzáló zöld fény impulzusokkal és mikrohullámok sorozatával célozták meg az NV központot és környezetét, amelyek elősegítették a három qubit észlelhető kvantumállapotba kerülését. 
2. Ezután egy második impulzus-sorozatot használnak, amely ideális esetben egy rövid időre összefonódott állapotba hozza a három qubitet, majd bontja az összefonódást közöttük, ami lehetővé teszi a qubitek hármas-spin koherenciájának felismerését.

A tudósok ellenőrizték is a hármas-spin koherenciát, a rezonancia spektrum jelentős mértékű, tüske-szerű megugrásának mérésével. A rögzített tüske-jel mérési értéke lényegében a három qubit frekvenciáinak összege volt. Ha például a három qubit csak kevésbé vagy egyáltalán nem fonódott volna össze, akkor négy, különálló, sokkal alacsonyabb  tüske-jel lett volna a mérés eredménye.

Won Kyu Calvin Sun, vezető társszerző, az MIT Nukleáris Tudomány és Technika Tanszék végzős hallgatója és a Quantum Engineering csoport tagja azt mondta:  „Fekete doboz előtt állunk, minden NV központ környezetét tekintve, de amikor tesztelni kezdjük az NV környezetet, megjelennek a jelekben a hullámvölgyek, és mi

azon gondolkodunk, hogy milyen típusú spinek okozzák ezeket az anomáliákat. Amint kiderítjük az ismeretlen hibák spinjét és azok interakcióját az NV-központtal, elkezdhetjük ellenőrzés alá vonni a koherenciájukat. Ezek után pedig a kvantumrendszerünk teljes és egyetemes ellenőrzés alatt állhat."

Sun mellett a kutatásban részt vettek még, Alexandre Cooper vezető szerző, a Caltechről, Jean-Christophe Jaskula, az MIT Elektronika Kutatólaboratóriumának (RLE) kutatója és az MIT Quantum Engineering csoportjának tagja, Paola Cappellaro, a Nukleáris Tudományos és Műszaki Tanszék professzora, az RLE tagja és az MIT Quantum Engineering csoportjának vezetője. A tanulmány a Physical Letters Review-ban jelent meg február végén.

(Képek: Pxhere, Piqsels, Lars Plougmann)