Autostrady kwantowe powstałe z defektów
Zespół pod kierunkiem Maryam Ghazisaeidi i Giuli Galli postanowił sprawdzić, czy dyslokacje w diamencie można potraktować jako naturalne rusztowanie dla kubitów. Członkowie grupy skupili się na tzw. centrach azotowo-wakancyjnych (NV), które są jedną z wiodących platform dla kubitów w ciele stałym. Powstają one, gdy w sieci krystalicznej diamentu atom azotu zastąpi atom węgla, a sąsiadujące z nim miejsce pozostaje puste. Symulacje wykazały coś zaskakującego: centra NV są przyciągane do obszarów dyslokacji. Co więcej, w tych newralgicznych miejscach nie tylko zachowują swoje kwantowe właściwości, ale w określonych konfiguracjach mogą je nawet poprawić.
Czytaj też: Ten materiał można przetwarzać w nieskończoność. Przemysł lotniczy i energetyczny czeka na to od lat
Ponieważ dyslokacje tworzą quasi-jednowymiarowe struktury rozciągające się przez kryształ, stanowią naturalną platformę do układania kubitów w uporządkowane macierze – zauważa Cunzhi Zhang
To odkrycie sugeruje, że dyslokacje mogłyby działać jak szyny, wzdłuż których można precyzyjnie układać kubity, tworząc z nich łańcuchy – podstawowy budulec większych układów kwantowych. Najciekawszy wniosek z badań dotyczył czasu koherencji, czyli tego, jak długo kubit może utrzymać informację kwantową. Okazało się, że lokalne naprężenia materiału wokół dyslokacji tworzą specyficzne środowisko. Działa ono jak naturalny bufor, tłumiący część szumu magnetycznego z otoczenia, który zwykle niszczy stan kwantowy. Mechanizm ten, związany z tzw. przejściami zegarowymi, stanowiłby ogromną przewagę. Badania potwierdziły też, że wiele centrów NV w pobliżu dyslokacji pozostaje stabilnych i nadaje się do optycznej inicjalizacji oraz odczytu, co jest niezbędne do przeprowadzania operacji kwantowych.
Chociaż nie wszystkie układy defektów są odpowiednie do operacji kwantowych, wyniki pokazują, że znaczna część spełnia wymagania funkcjonalności kubitów – dodaje Yu Jin
Teoria czeka na weryfikację w laboratorium
Aby dojść do tych wniosków, naukowcy musieli przeprowadzić niezwykle złożone symulacje od podstaw, modelujące zachowanie atomów w defekcie. Wykorzystali do tego kody obliczeniowe przyspieszane kartami GPU oraz moc superkomputerów w ramach Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM). Autorzy najnowszych doniesień nie mają wątpliwości, iż te bezprecedensowe, zakrojone na szeroką skalę obliczenia od podstaw umożliwiły dokładne modelowanie złożonych właściwości kwantowych defektów w jednowymiarowych rdzeniach dyslokacji.
Praca ma bardzo praktyczny wymiar. Zespół przygotował szczegółowe przewidywania dotyczące sygnałów, które eksperymentatorzy mogliby wykryć w prawdziwych próbkach diamentu. Dzięki temu badacze w laboratoriach wiedzą, czego szukać, aby znaleźć te najbardziej obiecujące konfiguracje dyslokacji z centrami NV. Zastosowane podejście odwraca dotychczasową logikę inżynierii materiałów kwantowych. Zamiast dążyć do idealnego, pozbawionego defektów kryształu, proponuje się celowe wykorzystanie jego naturalnych niedoskonałości jako funkcjonalnych elementów systemu. Koncepcja „autostrad kwantowych” w diamencie, o której pisano także w kontekście tych badań, może otworzyć drogę do tworzenia skalowalnych połączeń między kubitami.
