En un avance que puede ayudar a los investigadores a escalar los dispositivos cuánticos, un equipo del MIT ha desarrollado un método para "reclutar" bits cuánticos vecinos hechos de defectos a nanoescala en el diamante, para que en lugar de provocar disrupciones ayuden a realizar operaciones cuánticas.

Los dispositivos cuánticos realizan operaciones utilizando bits cuánticos, llamado "qubits, "que puede representar los dos estados correspondientes a los bits binarios clásicos, un cero o uno, o una" superposición cuántica "de ambos estados simultáneamente. El estado de superposición único puede permitir que las computadoras cuánticas resuelvan problemas que son prácticamente imposibles para las computadoras clásicas, potencialmente estimulando avances en la biodetección, neuroimagen, aprendizaje automático, y otras aplicaciones.

Un candidato de qubit prometedor es un defecto en el diamante, llamado centro de vacantes de nitrógeno (NV), que contiene electrones que pueden manipularse con luz y microondas. En respuesta, el defecto emite fotones que pueden transportar información cuántica. Debido a sus entornos de estado sólido, sin embargo, Los centros NV siempre están rodeados de muchos otros defectos desconocidos con diferentes propiedades de giro, llamados "defectos de espín". Cuando el qubit de centro NV medible interactúa con esos defectos de espín, el qubit pierde su estado cuántico coherente - "decoheres" - y las operaciones se desmoronan. Las soluciones tradicionales intentan identificar estos defectos disruptivos para proteger al qubit de ellos.

En un artículo publicado el 25 de febrero en Physical Letters Review, los investigadores describen un método que utiliza un centro NV para sondear su entorno y descubrir la existencia de varios defectos de espín cercanos. Luego, los investigadores pueden identificar las ubicaciones de los defectos y controlarlos para lograr un estado cuántico coherente, esencialmente aprovechándolos como qubits adicionales.

En experimentos, el equipo generó y detectó coherencia cuántica entre tres espines electrónicos, aumentando el tamaño del sistema cuántico de un solo qubit (el centro NV) a tres qubits (agregando dos defectos de espín cercanos). Los hallazgos demuestran un paso adelante en la ampliación de los dispositivos cuánticos utilizando centros NV, dicen los investigadores.

"Siempre hay defectos de espín desconocidos en el entorno que interactúan con un centro NV. Decimos, "No ignoremos estos defectos de giro, que [si se deja solo] podría causar una decoherencia más rápida. Aprendamos sobre ellos, caracterizar sus giros, aprender a controlarlos, y 'reclutarlos' para que sean parte del sistema cuántico, '", dice el coautor principal, Won Kyu Calvin Sun, estudiante de posgrado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear y miembro del grupo de Ingeniería Cuántica. "Luego, en lugar de usar un único centro NV [o solo] un qubit, luego podemos usar dos, Tres, o cuatro qubits ".

Junto a Sun en el artículo están el autor principal Alexandre Cooper '16 de Caltech; Jean-Christophe Jaskula, científico investigador en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT (RLE) y miembro del grupo de Ingeniería Cuántica del MIT; y Paola Cappellaro, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear, un miembro de RLE, y jefe del grupo de Ingeniería Cuántica del MIT.

Caracterización de defectos

Los centros NV ocurren donde faltan átomos de carbono en dos lugares adyacentes en la estructura reticular de un diamante:un átomo es reemplazado por un átomo de nitrógeno, y el otro espacio es una "vacante" vacía. El centro NV funciona esencialmente como un átomo, con un núcleo y electrones circundantes que son extremadamente sensibles a pequeñas variaciones en la electricidad circundante, magnético, y campos ópticos. Barriendo microondas por el centro, por ejemplo, lo hace cambiar, y así controlar, los estados de espín del núcleo y los electrones.

Los espines se miden utilizando un tipo de espectroscopia de resonancia magnética. Este método traza las frecuencias de los giros de electrones y núcleos en megahercios como un "espectro de resonancia" que puede descender y aumentar, como un monitor cardíaco. Los giros de un centro NV bajo ciertas condiciones son bien conocidos. Pero los defectos de espín circundantes son desconocidos y difíciles de caracterizar.

En su trabajo, los investigadores identificaron, situado, y controló dos defectos de espín nuclear-electrón cerca de un centro NV. Primero enviaron pulsos de microondas a frecuencias específicas para controlar el centro NV. Simultaneamente, pulsan otro microondas que sondea el entorno circundante en busca de otros giros. Luego observaron el espectro de resonancia de los defectos de espín que interactúan con el centro NV.

El espectro se sumergió en varios puntos cuando el pulso de sondeo interactuó con espines nucleares de electrones cercanos, indicando su presencia. Luego, los investigadores barrieron un campo magnético a través del área en diferentes orientaciones. Para cada orientación, el defecto "giraría" a diferentes energías, provocando diferentes caídas en el espectro. Básicamente, esto les permitió medir el giro de cada defecto en relación con cada orientación magnética. Luego, introdujeron las mediciones de energía en una ecuación modelo con parámetros desconocidos. Esta ecuación se utiliza para describir las interacciones cuánticas de un defecto de espín nuclear-electrón bajo un campo magnético. Luego, podrían resolver la ecuación para caracterizar con éxito cada defecto.

Ubicando y controlando

Después de caracterizar los defectos, el siguiente paso fue caracterizar la interacción entre los defectos y el NV, que señalaría simultáneamente sus ubicaciones. Para hacerlo de nuevo barrieron el campo magnético en diferentes orientaciones, pero esta vez buscó cambios en las energías que describieran las interacciones entre los dos defectos y el centro NV. Cuanto más fuerte sea la interacción, cuanto más cerca estaban el uno del otro. Luego usaron esas fortalezas de interacción para determinar dónde se ubicaban los defectos, en relación con el centro NV y entre sí. Eso generó un buen mapa de las ubicaciones de los tres defectos en el diamante.

Caracterizar los defectos y su interacción con el centro NV permite un control total, que implica algunos pasos más para demostrar. Primero, bombean el centro NV y el entorno circundante con una secuencia de pulsos de luz verde y microondas que ayudan a poner los tres qubits en un estado cuántico bien conocido. Luego, utilizan otra secuencia de pulsos que idealmente entrelaza los tres qubits brevemente, y luego los desenreda, lo que les permite detectar la coherencia de tres espines de los qubits.

Los investigadores verificaron la coherencia de tres espines midiendo un pico importante en el espectro de resonancia. La medida del pico registrado fue esencialmente la suma de las frecuencias de los tres qubits. Si los tres qubits, por ejemplo, tuvieran poco o ningún entrelazamiento, habría cuatro picos separados de menor altura.

"Entramos en una caja negra [entorno con cada centro NV]. Pero cuando investigamos el entorno NV, empezamos a ver caídas y nos preguntamos qué tipos de giros nos dan esas caídas. Una vez que [averigüemos] el giro de los defectos desconocidos, y sus interacciones con el centro NV, podemos empezar a controlar su coherencia, "El sol dice". Entonces, tenemos el control universal total de nuestro sistema cuántico ".

Próximo, los investigadores esperan comprender mejor otros ruidos ambientales que rodean a los qubits. Eso les ayudará a desarrollar códigos de corrección de errores más robustos para circuitos cuánticos. Es más, porque, en promedio, el proceso de creación del centro NV en el diamante crea muchos otros defectos de giro, los investigadores dicen que potencialmente podrían escalar el sistema para controlar aún más qubits. "Se vuelve más complejo con la escala. Pero si podemos comenzar a encontrar centros NV con más picos de resonancia, se puede imaginar comenzar a controlar sistemas cuánticos cada vez más grandes, "Dice el sol.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.