科学家将固态自旋量子比特与纳米机械谐振器相结合

在《物理评论快报》的一项新研究中，科学家提出了一种新方法，将固态自旋量子比特与纳米机械谐振器相结合，用于可扩展和可编程的量子系统。

量子信息处理要求量子比特具有较长的相干时间、稳定性和可扩展性。固态自旋量子比特是这些应用的候选者，因为它们具有较长的相干时间。然而，它们不可扩展。

PRL研究由哈佛大学 Mikhail Lukin 教授团队的研究生 Frankie Fung 领导，他在接受 Phys.org 采访时讨论了这一挑战。

他说：“虽然已经证明了使用固态自旋量子比特的小型量子寄存器，但它们依赖于磁偶极相互作用，这将相互作用范围限制在几十纳米。相互作用距离短，并且难以在如此近的间距下持续制造自旋量子比特，这使得控制包含大量量子比特阵列的系统具有挑战性。”

在PRL 的研究中，研究人员提出了一种使用纳米机械谐振器(一种机械振荡器)来介导自旋量子比特之间相互作用的架构。

钻石作为量子比特

该团队的方法依赖于钻石中的氮空位中心作为量子比特。

通常，金刚石结构由四面体结构的碳原子组成，这意味着它们与其他四个碳原子结合。

然而，使用化学气相沉积等方法，可以将其中一个碳原子替换为氮原子。这会导致氮原子旁边的碳原子缺失，从而产生空位。

与空位相邻的氮原子形成 NV 中心，该中心具有不成对电子，其自旋态用作量子比特。

NV 中心因其独特的光学特性而具有许多优势。它们的相干时间较长，这意味着它们与环境的相互作用较低，因此非常稳定。

此外，它们具有光学兼容性，这意味着很容易使用光输入和输出信息。由于它们具有不成对的电子，因此它们对磁场也高度敏感。

这些特性使它们非常适合用作量子位，尤其是将它们与固态设备集成时。

这一问题源于量子比特之间的短程相互作用。这是因为固态自旋量子比特通过磁偶极相互作用而相互作用，而磁偶极相互作用是短程的。

量子比特之间的相互作用对于产生纠缠态是必要的，而纠缠态是量子信息处理的基础。

机械谐振器作为介质

为了解决量子比特的长距离相互作用，研究人员建议将金刚石中的 NV 中心与机械谐振器耦合。

“我们的研究旨在利用纳米机械谐振器来介导这些自旋量子比特之间的相互作用。更具体地说，我们提出了一种新的架构，其中单个扫描探尖端内的自旋量子比特可以在介导自旋-自旋相互作用的纳米机械谐振器上移动，”Fung 解释道。

纳米机械谐振器是一种能够以高频率(通常为纳米级)振荡的微小结构。它们对外部场和力很敏感。

通过将量子比特与纳米机械谐振器耦合，研究人员正在创造一种非局部量子比特相互作用的方法。这可能使大规模量子处理器的创建成为可能，解决固态量子系统可扩展性的缺陷。

完善架构

因此，研究团队的架构由单个扫描探尖端内的自旋量子位组成，这些探尖端是可以收集信息的精确扫描设备。

“扫描探尖端可以在介导自旋-自旋相互作用的机械谐振器上移动。由于我们可以选择将哪些量子比特移动到这个机械谐振器上，所以我们可以在自旋量子比特之间创建可编程连接，”Fung 解释道。

单个量子比特是金刚石纳米柱内的 NV 中心。这种结构使 NV 中心能够靠近微磁体，从而产生用于操纵电子自旋状态的磁场。

Fang 补充道：“纳米柱充当波导，有助于降低激发 NV 中心所需的激光功率。”这是因为纳米柱将激光引导到它需要到达的准确位置，即 NV 中心。

微磁体位于氮化硅纳米梁上，形成完整的纳米机械谐振器。

理论上，该装置的工作原理如下。微磁体在量子比特和谐振器周围产生磁场。该磁场会改变量子比特的电子自旋状态。

自旋状态的变化导致量子比特与纳米机械谐振器的相互作用与以前不同，使其以不同的频率振荡。这种振荡会影响其他量子比特，从而影响它们的自旋状态。

该架构允许非局部量子比特交互。

架构可行性和混合量子系统

为了证明他们的架构是可以实现的，研究人员展示了量子比特在微磁体机械传输中的相干性。

冯说：“作为一项原理验证测量，我们在 NV 中心存储了一些相干信息，在较大的场梯度中移动它，并表明这些信息随后得到了保留。”

相干性也通过品质因数来证明，表明了共振系统的效率。

对于该架构，低温下的品质因数约为 100 万，这表明尽管采用微磁体功能化，纳米梁谐振器仍可保持高度相干的机械运动。然而，机械谐振器的最高记录品质因数为 100 亿。

冯表示：“尽管这种耦合还不足以使这种架构成为现实，但我们相信，有几种切实可行的改进措施可以让我们实现这一目标。”

研究人员正在致力于引入带有纳米机械谐振器的光学腔。

冯解释说：“腔体不仅能让我们更精确地测量机械运动，还能让我们在基态下准备机械谐振器。这极大地扩展了我们可以进行的实验，例如将单个量子信息从自旋转移到机械，反之亦然。”

研究人员还认为，纳米机械谐振器是不同量子比特之间的理想中介，因为它们可以与各种力相互作用，例如库仑排斥力和辐射压力。

“混合量子系统可以利用不同种类量子比特的优势，同时减轻它们的劣势。由于它们可以在上制造，纳米机械谐振器可以与其他组件集成，例如电路或光腔，这为远程连接开辟了可能性，”Fung 总结道。