Cientistas integram qubits de spin de estado sólido com ressonadores nanomecânicos

Em um novo Cartas de revisão física estudo, cientistas propõem um novo método para combinar qubits de spin de estado sólido com ressonadores nanomecânicos para sistemas quânticos escaláveis ​​e programáveis.

O processamento de informações quânticas requer que os qubits tenham longos tempos de coerência, estabilidade e sejam escaláveis. Os qubits de spin de estado sólido são os candidatos que estão sendo buscados para essas aplicações, pois possuem longos tempos de coerência. No entanto, eles não são escaláveis.

O PRL estudo, liderado por Frankie Fung, um estudante de pós-graduação do grupo do professor Mikhail Lukin na Universidade de Harvard, abordou esse desafio em uma entrevista ao Phys.org.

Ele disse: “Embora pequenos registros quânticos usando qubits de spin de estado sólido tenham sido demonstrados, eles dependem de interações dipolares magnéticas, que limitam o alcance da interação a dezenas de nanômetros. A curta distância de interação e a dificuldade de fabricar qubits de spin consistentemente em espaçamentos tão próximos tornam desafiador controlar sistemas contendo grandes matrizes de qubits.”

No PRL estudo, os pesquisadores propuseram uma arquitetura que medeia a interação entre qubits de spin usando um ressonador nanomecânico, um oscilador mecânico.

Diamantes como qubits

A abordagem da equipe baseou-se em centros de vacância de nitrogênio em diamantes atuando como qubits.

Normalmente, as estruturas de diamante consistem em átomos de carbono em uma estrutura tetraédrica, o que significa que estão ligados a outros quatro átomos de carbono.

No entanto, usando métodos como deposição química de vapor, um dos átomos de carbono pode ser substituído por um átomo de nitrogênio. Isso resulta em um átomo de carbono ausente adjacente ao nitrogênio, criando uma vacância.

O átomo de nitrogênio adjacente a uma vacância forma o centro NV, que tem um elétron desemparelhado com estados de spin usados ​​como qubits.

Os centros NV oferecem muitas vantagens devido às suas propriedades ópticas únicas. Eles têm longos tempos de coerência, o que significa que sua interação com o ambiente é baixa, tornando-os muito estáveis.

Além disso, eles são opticamente compatíveis, o que significa que é fácil inserir e emitir informações usando luz. Como eles têm elétrons desemparelhados, eles também são altamente sensíveis a campos magnéticos.

Essas propriedades os tornam ideais para serem usados ​​como qubits, especialmente ao integrá-los com dispositivos de estado sólido.

O problema surge devido à interação de curto alcance entre os próprios qubits. Isso ocorre porque os qubits de spin de estado sólido interagem entre si por meio de interações de dipolo magnético, que são de curto alcance.

A interação entre qubits é necessária para criar estados emaranhados, que são a base do processamento de informações quânticas.

Ressonadores mecânicos como mediadores

Para abordar a interação de longo alcance dos qubits, os pesquisadores propõem acoplar os centros NV em diamantes com ressonadores mecânicos.

“Nossa pesquisa visa usar ressonadores nanomecânicos para mediar interações entre esses qubits de spin. Mais especificamente, propomos uma nova arquitetura, onde qubits de spin dentro de pontas de sondas de varredura individuais podem ser movidos sobre um ressonador nanomecânico que media interações spin-spin”, explicou Fung.

Ressonadores nanomecânicos são estruturas minúsculas que podem oscilar em altas frequências (tipicamente nanoescalas). Eles são sensíveis a campos e forças externas.

Ao acoplar os qubits a um ressonador nanomecânico, os pesquisadores estão criando uma maneira para interações de qubits não locais. Isso potencialmente permite a criação de processadores quânticos de larga escala, abordando a desvantagem da escalabilidade com sistemas quânticos de estado sólido.

Refinando a arquitetura

A arquitetura da equipe de pesquisa, portanto, consiste em um qubit de spin dentro de pontas de sondas de varredura individuais, que são dispositivos de varredura precisos que podem coletar informações.

“As pontas da sonda de varredura podem ser movidas sobre um ressonador mecânico que medeia interações spin-spin. Como podemos escolher quais qubits mover sobre esse ressonador mecânico, podemos criar conectividade programável entre qubits de spin”, explicou Fung.

Os qubits individuais são centros NV dentro de um nanopilar de diamante. Essa estrutura permite que o centro NV fique próximo de um microímã, o que cria o campo magnético usado para manipular o estado de spin do elétron.

“Também ajuda que o nanopillar atue como um guia de onda que reduz a potência do laser necessária para excitar o centro NV”, acrescentou Fang. Isso acontece porque o nanopillar guia o laser para o local exato que ele precisa ir, o centro NV.

O microímã está localizado em um nanofeixe de nitreto de silício, completando o ressonador nanomecânico.

Em teoria, a configuração funciona da seguinte forma. O microímã cria um campo magnético ao redor do qubit e do ressonador. Esse campo magnético muda o estado de spin do elétron do qubit.

A mudança no estado de spin faz com que o qubit interaja com o ressonador nanomecânico de forma diferente do que antes, fazendo-o oscilar com uma frequência diferente. Essa oscilação afeta outros qubits, afetando seu estado de spin.

A arquitetura permite interações de qubits não locais.

Viabilidade de arquitetura e sistemas quânticos híbridos

Para mostrar que sua arquitetura é viável, os pesquisadores demonstraram a coerência do qubit sobre o transporte mecânico do microímã.

Fung disse: “Como uma medida de prova de princípio, armazenamos algumas informações coerentes no centro NV, movemos-as em um grande gradiente de campo e mostramos que as informações foram preservadas posteriormente.”

A coerência também foi demonstrada através do fator de qualidade, indicando a eficiência de um sistema ressonante.

Para a arquitetura, o fator de qualidade foi de cerca de um milhão em baixas temperaturas, sugerindo que o ressonador nanobeam pode manter movimento mecânico altamente coerente, apesar de ser funcionalizado com um microímã. No entanto, o maior fator de qualidade registrado para ressonadores mecânicos é de 10 bilhões.

“Embora esse acoplamento ainda não seja forte o suficiente para tornar essa arquitetura uma realidade, acreditamos que há diversas melhorias realistas que podem nos levar até lá”, disse Fung.

Os pesquisadores estão trabalhando na introdução de uma cavidade óptica com um ressonador nanomecânico.

Fung explicou: “A cavidade nos permitiria não apenas medir o movimento mecânico com mais precisão, mas também potencialmente preparar o ressonador mecânico em seu estado fundamental. Isso expande muito os experimentos que podemos fazer, como transferir um único quanta de informação do spin para a mecânica e vice-versa.”

Os pesquisadores também acreditam que os ressonadores nanomecânicos são intermediários ideais entre diferentes qubits porque podem interagir com várias forças, como repulsão de Coulomb e pressão de radiação.

“Um sistema quântico híbrido pode alavancar as vantagens de diferentes tipos de qubits enquanto atenua suas desvantagens. Como podem ser fabricados em chip, os ressonadores nanomecânicos podem ser integrados a outros componentes, como um circuito elétrico ou uma cavidade óptica, o que abre possibilidades para conectividade de longo alcance”, concluiu Fung.

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