N.C.S.R. "Demokritos"

Έρευνα

Τομέας Επιστήμης Υλικών

small logo

Υβριδικά συστήματα ηλεκτρονικού-πυρηνικού σπιν για εφαρμογές σε κβαντικούς υπολογιστές

 

Τα ηλεκτρονικά και πυρηνικά σπιν είναι ιδανικές μονάδες κβαντικής πληροφορίας (quantum bits:qubits), επειδή είναι φυσικά συστήματα δύο καταστάσεων με σχετικά μεγάλους χρόνους αποσυνοχής. Μια βασική πρόκληση στην υλοποίηση ενός κβαντικού υπολογιστή στερεάς κατάστασης είναι η κατασκευή γρήγορων και αξιόπιστων κβαντικών πυλών δύο  qubits. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον σε αυτή την κατεύθυνση παρουσιάζουν τα υβριδικά συστήματα ηλεκτρονικού-πυρηνικού σπιν, όπου τα δύο  qubits  συνδέονται μέσω της υπέρλεπτης αλληλεπίδρασης. Τα συστήματα αυτά έχουν σαφώς καθορισμένες  EPR και  NMR μεταβάσεις που μπορούν επιλεκτικά να πραγματοποιηθούν με εφαρμογή συντονισμένων παλμών μικροκυμάτων (mw) ή ραδιοσυχνοτήτων (rf) (Fig. 1). Ωστόσο, οι σημαντικές διαφορές των γυρομαγνητικών λόγων μεταξύ ηλεκτρονικών και πυρηνικών σπιν δεν επιτρέπουν τον συνεπή χειρισμό τους κατά την ίδια χρονική κλίμακα. Αν και αυτή η διαφορά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή μιας κβαντικής μνήμης, η αργή αναστροφή των πυρηνικών σπιν με παλμούς  rf (τυπική περίοδος περιστροφής για ένα πρωτόνιο: 10 μs) μπορεί να αποτελέσει σοβαρό εμπόδιο για την αποτελεσματική λειτουργία μιας τέτοιας κβαντικής πύλης δύο qubits.

 Η απαιτούμενη μεγάλη αύξηση (περίπου δύο τάξεις μεγέθους) της συχνότητας Rabi των πυρηνικών σπιν με αντίστοιχη αύξηση του μαγνητικού πεδίου B2 του παλμού rf είναι τεχνικά πολύ απαιτητική. Εναλλακτικά, μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει την ανισοτροπική υπέρλεπτη σύζευξη αυτών των συστημάτων αξιοποιώντας τον Β-όρο (pseudo-secular part) της υπέρλεπτης αλληλεπίδρασης, η οποία συνήθως είναι ισχυρότερη από την πυρηνική συχνότητα Rabi, δηλαδή της τάξεως μερικών MHz σε οργανικές ρίζες. Πρόσφατα, χρησιμοποιώντας τη σταθερή ρίζα .CH(COOH)2, S =1/2,  σε ένα γ-ακτινοβολημένο κρύσταλλο μαλονικού οξέος δείξαμε ότι, υπό ορισμένες συνθήκες (π.χ. ακριβής ακύρωση, Fig. 2b), είναι δυνατόν να ελεγχθεί η πόλωση πυρηνικού σπιν σε χρονικά διαστήματα μικρότερα του 1 μs καθώς επίσης και να επιτευχθεί εναλλαγή μεταξύ ενεργητικής και παθητικής δυναμικής κατάστασης χρησιμοποιώντας αποκλειστικά παλμούς μικροκυμάτων (Fig. 3). Είναι ενδιαφέρον ότι η αντιστροφή του πυρηνικού σπιν του α-πρωτονίου, I = 1/2, ολοκληρώθηκε μέσα σε 252 ns, πράγμα που σημαίνει περίπου 50-φορές ταχύτερη λειτουργία από την αντίστοιχη rf-βασισμένη ακολουθία παλμών.

 Αυτή η νέα δυνατότητα χειρισμού του πυρηνικού σπιν με τη χρήση μόνο παλμών μικροκυμάτων και κατάλληλων χρονικών καθυστερήσεων ξεπερνά την ασυμμετρία των χρόνων χαλάρωσης ηλεκτρονίου-πρωτονίου (η οποία είναι μια εγγενής ιδιότητα των υβριδικών συστημάτων ηλεκτρονικού-πυρηνικού σπιν) και έτσι ανοίγει το δρόμο για την πραγματοποίηση κβαντικών πυλών υψηλής πιστότητας με χρήση τέτοιων υβριδικών συστημάτων σπιν. Ως συνέπεια αυτού του επιτεύγματος διερευνούμε πιθανές ακολουθίες παλμών που βασίζονται σε αυτή τη μεθοδολογία προκειμένου να κατασκευαστεί ένα πλήρες σύνολο γενικών κβαντικών πυλών. 

 

 

 

 

 

 


 

 

 


---
Για πληροφορίες: Γεώργιος Μήτρικας

Τομέας Επιστήμης Υλικών, Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. "Δημόκριτος", 153 10 Αγ. Παρασκευή, Αττική, τηλ.: +30 2106503381, fax: +30 210 6519430
Contact Us | ©2008 Institute of Materials Science, N.C.S.R. "Demokritos"