金刚石纳米柱内的自旋量子比特（橙色）在磁功能化的机械谐振器（蓝色）上移动（黑色箭头），从而实现机械介导的自旋-自旋相互作用。图片来源：Frankie Fung。
在《物理评论快报》（Physical Review Letters）的一项新研究中，科学家们提出了一种新方法，将固态自旋量子比特与纳米力学谐振器相结合，以实现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。但是，它们不可扩展。
PRL研究由哈佛大学Mikhail Lukin教授小组的研究生Frankie Fung领导，在与 Phys.org 交谈时解决了这一挑战。
他说：“虽然使用固态自旋量子比特的小型量子寄存器已经得到证明，但它们依赖于磁偶极相互作用，这将相互作用范围限制在数十纳米。较短的交互距离和在如此近的间距下一致地制造自旋量子比特的困难使得控制包含大量量子比特阵列的系统具有挑战性。
在PRL研究中，研究人员提出了一种架构，该架构使用纳米机械谐振器（机械振荡器）介导自旋量子比特之间的相互作用。
作为量子比特的钻石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中的碳原子组成，这意味着它们与其他四个碳原子键合。
然而，使用化学气相沉积等方法，其中一个碳原子可以被氮原子取代。这导致与氮相邻的碳原子缺失，从而产生空位。
与空位相邻的氮原子形成 NV 中心，该中心具有不成对的电子，其自旋态用作量子比特。
NV中心由于其独特的光学特性而具有许多优势。它们的相干时间很长，这意味着它们与环境的相互作用很低，使它们非常稳定。
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比特，尤其是在将它们与固态设备集成时。
这个问题是由于量子比特本身之间的短程交互而出现的。这是因为固态自旋量子比特通过磁偶极子相互作用相互交互，而磁偶极子相互作用是短程的。
量子比特之间的交互对于创建纠缠态是必要的，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程相互作用，研究人员建议将钻石中的NV中心与机械谐振器耦合。
“我们的研究旨在使用纳米力学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，其中单个扫描探针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解释说。
纳米机械谐振器是可以在高频（通常是纳米级）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力学谐振器耦合，研究人员正在为非局部量子比特交互创造一种方式。这有可能使创建大规模量子处理器成为可能，从而解决了固态量子系统可扩展性的缺点。
优化架构因此，研究团队的架构由单个扫描探针尖端内的自旋量子比特组成，这些探针尖端是可以收集信息的精确扫描设备。
“扫描探针尖端可以在机械谐振器上移动，该谐振器介导自旋-自旋相互作用。由于我们可以选择在这个机械谐振器上移动哪些量子比特，因此我们可以在自旋量子比特之间创建可编程的连接，“Fung解释说。
单个量子比特是金刚石纳米柱内的 NV 中心。这种结构使NV中心靠近微磁体，从而产生用于操纵电子自旋状态的磁场。
“纳米柱充当波导，减少激发NV中心所需的激光功率，这也有所帮助，”Fang补充道。发生这种情况是因为纳米柱将激光引导到它需要去的确切位置，即 NV 中心。
微磁体位于氮化硅纳米束上，完成纳米机械谐振器。
从理论上讲，该设置的工作原理如下。微磁体在量子比特和谐振器周围产生磁场。该磁场改变了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力学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。
该体系结构允许非本地量子比特交互。
架构可行性和混合量子系统为了证明它们的架构是可以实现的，研究人员证明了量子比特对微磁体机械传输的相干性。
Fung说：“作为原理验证测量，我们在NV中心存储了一些相干信息，在大场梯度中移动它，并表明信息之后被保留下来。
相干性还通过质量因子得到证明，表明谐振系统的效率。
对于该结构，在低温下的质量因子约为一百万，这表明纳米束谐振器尽管用微磁体进行了功能化，但仍可以保持高度相干的机械运动。然而，机械谐振器的最高记录质量因子是 100 亿。
“虽然这种耦合还不够强大，无法使这种架构成为现实，但我们相信有几项现实的改进可以使我们实现目标，”Fung说。
研究人员正在努力引入一种带有纳米机械谐振器的光学腔。
Fung解释说：“这个腔体不仅可以让我们更精确地测量机械运动，而且有可能使机械谐振器处于基态。这极大地扩展了我们可以做的实验，例如将单一量子的信息从自旋转移到力学，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点，同时减轻它们的缺点。由于纳米机械谐振器可以在芯片上制造，因此可以与其他组件集成，例如电路或光学腔，这为长距离连接开辟了可能性，“Fung总结道。
更多信息：F. Fung 等人，基于具有机械介导相互作用和传输的自旋量子比特的可编程量子处理器，《物理评论快报》（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.263602.在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2307.12193
期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv
