Rola diamentów w obliczeniach kwantowych
Kwantowe przetwarzanie informacji, w którym wykorzystywany jest efekt splątania kwantowego, superpozycja i kubity, umożliwi przekroczenie ograniczeń mocy obliczeniowej i utoruje drogę do nowych, ekscytujących urządzeń. Zespół finansowanych przez UE naukowców uruchomił projekt "Exploring quantum entanglement using spins in diamond" (EQESD), by opracować innowacyjny system doświadczalny, który posłuży do badań nad splątaniem kwantowym na dużych odległościach — dziedziną, która w chwili tworzenia projektu była wciąż w powijakach. Paradygmat eksperymentalny umożliwi szybki postęp w dziedzinie wielkoskalowych informacyjnych protokołów kwantowych przyszłości. Dwustanowe systemy kwantowe mogą służyć do prezentowania informacji w sposób zero-jedynkowy, jak w przypadku bitów. Przy superpozycji dwóch stanów system może jednak być w dwóch stanach jednocześnie, co jest definicyjną cechą kubita. Nieskończona liczba możliwych stanów, wraz ze splątaniem kwantowym (subtelne, nielokalne korelacje wśród podzespołów systemu), tworzą podstawę dla znacznie wydajniejszego systemu przetwarzania informacji niż są obecnie dostępne. Zespół projektu EQESD wykorzystał pewien rodzaj defektu w diamentach — centra azot-wakancja, w których spiny elektronów mogą być kontrolowane i wykazują fotoluminescencję. Celem pracy było zbadanie splątania kwantowego między pojedynczym spinem i pojedynczym fotonem oraz pomiędzy dwoma spinami. Zespół wzbudził optycznie centrum azot-wakancja w superpozycji stanów spinowych, co spowodowało spontaniczną emisję fotonu splątanego ze spinem centrum azot-wakancja. Wywołanie i wykrycie splątania wymagało rygorystycznej kontroli i pomiarów pojedynczych spinów — technik, których opracowanie zaowocowało opublikowaniem dwóch artykułów w branżowych czasopismach naukowych. Prawdopodobnie najważniejszym momentem w rocznych pracach zespołu była demonstracja możliwości kontroli kubitów poprzez inicjalizację, koherentną manipulację oraz pojedynczy odczyt w pojedynczym eksperymencie dotyczącym rejestru dwukubitowego. Wyniki tej demonstracji zostały opublikowane w czasopiśmie Nature. Konwencjonalny rejestr dwukubitowy może reprezentować w danym momencie tylko jeden z czterech stanów (00, 01, 10 lub 11), natomiast rejestr dwukubitowy może zachowywać wszystkie te cztery stany jednocześnie. Prawdziwy potencjał zjawiska polega na tym, że liczba kubitów zwiększa się, ponieważ pojemność magazynowania zwiększa się wykładniczo wraz ze wzrostem liczby kubitów. Podczas swojej zaledwie rocznej pracy zespół projektu EQESD wykazał, że centra azot-wakancja w diamentach mogą być potencjalnymi elementami składowymi wielkoskalowych kwantowych protokołów przetwarzania informacji.
