Kvantdatorer representerar nästa generations informationsbehandling genom att utnyttja kvantmekaniska fenomen som superposition och sammanflätning. Den klassiska biten, som alltid är antingen 0 eller 1, ersätts här av kvantbitar (qubits) som kan befinna sig i flera tillstånd samtidigt, vilket radikalt kan accelerera vissa beräkningar. Forskare vid universitetet Paris-Saclay i samarbete med kinesiska och europeiska institutioner har nu tagit ett betydande steg i utvecklingen av en ny typ av kvantdatorplattform som baseras på kärnspinn hos volfram-183 (^183W) i en fast kristallstruktur.
Traditionella magnetresonansmetoder såsom kärnmagnetisk resonans (NMR) och elektronspinnresonans (ESR) har länge varit verkningsfulla verktyg inom fysik, kemi och biologi för att studera atomära och molekylära processer. Dessa metoder bygger på att detektera svaga magnetiska signaler från stora atomensembler (10^15 atomer eller fler), vilket gör det omöjligt att studera enskilda spinn med hög precision och bibehållen kvantkoherens. Emmanuel Flurin och hans team ville öka denna känslighet till en nivå där enskilda kärnspinn kan manipuleras och avläsas, samtidigt som man upprätthåller långa koherenstider.
En hybridplattform för kärn-elektron-spin
Det innovativa angreppssättet kombinerar supraledande mikrovågsresonatorer med kärnspinn i kalciumvolframat (CaWO_4). I denna kristall är ^183W-kärnorna placerade nära erbiumjoner (Er^3+) som bär ett oparat elektronspinn. Dessa elektronspinn, som är lättare att manipulera och avläsa med mikrovågsfotoner i resonatorn, fungerar som en hjälpare till kärnspinnen och förstärker den magnetiska signalen. Hela anordningen kyls i en utspädningskylare till millikelvintemperaturer för att minimera termisk brus och förlänga kvantkoherenstiderna.
Den mikrovågsbaserade plattformen möjliggör avläsning och kvantkontroll av enskilda kärnspinn med koherenstider på flera sekunder — en betydande förbättring jämfört med tidigare system. Plattformen skiljer sig genom att inte kräva optiska eller elektriska övergångar som andra kvantdatorsystem, såsom NV-centra i diamant eller halvledartillverkade donatorer. Detta gör den mycket flexibel och kan i princip anpassas efter ett brett spektrum av ämnen och spinnsystem som hanteras med NMR och ESR.
Inledande utvärdering av teamets system
Flurin och medförfattare demonstrerade i sin studie hög precision i enkla och dubbla qubit-operationer med mikrovågsdrivna grindar, vilket resulterade i skapandet av långlivade, sammanflätade Bell-tillstånd med koherenstider över en sekund. Den nya avläsningstekniken är icke-invasiv, vilket betyder att den inte stör kvanttillståndet, och kan därmed appliceras på fler typer av kvantbitar utan att förlora information.
Denna teknologi har två centrala framtidsriktningar. Dels kan systemet komma att bli ett kvantmagnetiskt resonansmikroskop, kapabel att genomföra spektroskopi på enskilda molekyler med oöverträffad spektral upplösning. Genom att undvika ensembleeffekternas utjämning kan man få mycket detaljerad information om molekylär struktur. Å andra sidan öppnar plattformen nya vägar inom kvantdatorarkitektur, där små kärnspinnskluster kopplade via elektronspinnancillor och mikrovågsfotoner kan bilda skalbara och stabila register för kvantinformation.
Framtida tillämpningar och forskningsinriktningar
Framtida studier kommer fokusera på att öka antalet kontrollerbara kärnspinn, förbättra gate-fideliteten och undersöka användningen av kärnspinnqubits som långlivade minnen i större supraledande kvantarkitekturer. Plattformens renodlade magnetiska resonansstyrning möjliggör också en syntes mellan kvantberäkning och kvantavkänning – där avancerade kvantalgoritmer kan inspireras av klassiska NMR- och ESR-metoder och vice versa.
Sammanfattningsvis visar denna studie vägen mot en kraftfull och flexibel kvantdatorplattform där långa koherenstider och hög avläsningskänslighet kombineras i en chipbaserad, mikrovågsdriven apparat. Det är en milstolpe mot praktiska och skalbara kvantdatorsystem och avancerade sensorer med kvantbegränsad upplösning. Med denna hybridteknik i ryggen kan vi förvänta oss nya genombrott inom både kvantdatorer och molekylär spektroskopi under de kommande åren.
