Towards quantum error correction with two-body gates for quantum registers based on nitrogen-vacancy centers in diamond

In de zoektocht naar het bouwen van een machine die problemen kan oplossen die buiten het bereik van de huidige supercomputers liggen, kijken wetenschappers naar de kleinst mogelijke bouwstenen van de natuur: individuele atomen en de deeltjes binnen hen. Deze minuscule systemen, bekend als qubits, kunnen zich tegelijkertijd in meerdere toestanden bevinden, wat een potentiële sprong in rekenkracht biedt. Deze fragiele toestanden worden echter gemakkelijk verstoord door de kleinste aanraking van warmte of trillingen uit hun omgeving, waardoor de informatie die ze bevatten verdwijnt voordat een berekening kan worden voltooid. Om dit te overwinnen, onderzoeken onderzoekers een specifiek type defect dat in diamanten wordt gevonden, waarbij een ontbrekend koolstofatoom wordt vervangen door een stikstofatoom. Dit "stikstof-vacature centrum" fungeert als een stabiel anker voor kwantuminformatie, omringd door nabijgelegen koolstofatomen die hun eigen magnetische spins bezitten. Deze omringende spins kunnen dienen als aanvullende opslageenheden, waardoor een klein kwantumregister ontstaat. De uitdaging ligt in het verbinden van deze eenheden zonder de delicate informatie die zij bevatten te verstoren, wat een methode vereist om precieze operaties uit te voeren die snel genoeg zijn om te worden voltooid voordat de omgeving de gegevens ruïneert, maar ook zacht genoeg zijn om geen nieuwe fouten te introduceren.

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Ulm heeft een nieuwe manier ontwikkeld om dit delicate evenwicht te beheren, waarbij een methode is gecreëerd om hoogwaardige verbindingen te maken tussen het centrale diamantdefect en de naburige koolstofatomen. In hun werk concentreerden zij zich op een specifiek type operatie, een zogenaamde twee-lichaam poort (two-body gate), die de centrale elektronspin laat interageren met een specifieke kernspin terwijl de andere nabijgelegen spins worden genegeerd. De moeilijkheid bij deze taak is dat de koolstofatomen in de diamant zo dicht bij elkaar staan dat hun magnetische signaturen overlappen, waardoor het moeilijk is om er slechts één uit te pikken om mee te werken. Traditionele methoden om een enkel atoom te isoleren vereisen lange sequenties van controlepulsen, maar hoe langer de sequentie duurt, hoe groter de kans dat het systeem zijn kwantumtoestand verliest aan omgevingsruis. De onderzoekers vonden een manier om deze sequenties te verkorten zonder in te boeten op nauwkeurigheid door gebruik te maken van een techniek genaamd adaptieve dynamische ontkoppeling (adaptive dynamical decoupling). Deze aanpak houdt in dat de timing en de tussenruimte van microgolfpulsen zorgvuldig worden aangepast om de interactie vorm te geven, waardoor ongewenste signalen effectief worden weggefilterd en de focus op het specifieke atoom dat men wil besturen, wordt verscherpt.

Het team demonstreerde dat zij door deze pulssequenties af te stemmen, een "sweet spot" in tijd konden vinden waar de operatie zowel snel als zeer nauwkeurig is. Zij toonden aan dat het mogelijk is om een niveau van precisie te bereiken waarbij de kans op een fout minder dan één op duizend is, een drempel die noodzakelijk is voor betrouwbaar kwantumcomputergebruik. Dit werd bereikt door gebruik te maken van het feit dat bepaalde fouten in het systeem zichzelf op specifieke momenten in de tijd natuurlijk opheffen. Door het exacte moment te kiezen waarop de operatie wordt gestopt, konden de onderzoekers deze fouten elimineren zonder de sequentie voor een excessief lange duur te hoeven draaien. Deze methode stelt hen in staat om de gebruikelijke afweging te omzeilen waarbij snellere operaties minder nauwkeurig zijn, wat een manier biedt om de noodzakelijke stappen voor kwantumcomputing uit te voeren met een snelheid die het systeem veilig houdt tegen decoherentie.

Om te bewijzen dat deze geoptimaliseerde poorten nuttig zijn voor praktische toepassingen, gebruikten de onderzoekers deze om een basis systeem voor foutcorrectie te construeren. In deze opstelling werden het centrale diamantdefect en twee nabijgelegen koolstofspins zo gerangschikt dat zij een enkele stukje kwantuminformatie beschermden tegen een specif kind van corruptie, bekend als een fasefout. Dit type fout is vergelijkbaar met een subtiele verschuiving in de timing van een klok die ervoor zorgt dat de informatie uit koers raakt. Het team creëerde een protocol waarbij de informatie over de drie spins wordt gecodeerd, waardoor het systeem kan detecteren of er een verschuiving heeft plaatsgevonden en dit automatisch kan corrigeren. Hun simulaties toonden aan dat dit systeem, zelfs met de imperfecties die inherent zijn aan real-world controlesignalen, de oorspronkelijke informatie in meer dan 98,5 procent van de gevallen succesvol kon herstellen, zelfs wanneer de foutmarge relatief hoog was. Dit resultaat bleef standhouden, zelfs wanneer rekening werd gehouden met de natuurlijke relaxatie van de elektronspin, een proces waarbij het systeem langzaam energie verliest aan de omgeving, wat kan gebeuren bij temperaturen tot wel 77 Kelvin.

De betekenis van dit werk strekt zich uit voorbij het directe succes van de foutcorrectiecode. De onderzoekers boden een duidelijk analytisch instrument waarmee wetenschappers de optimale timing voor deze operaties kunnen bepalen zonder telkenselijk tijdrovende experimenten te hoeven uitvoeren om elke mogelijkheid te testen. Dit is cruciaal naarmate kwantumsystemen groter worden, omdat het handmatig testen van elke parameter voor een systeem met veel atomen onmogelijk zou zijn. Door hun methode te gebruiken om de beste sequentieparameters te voorspellen, kunnen onderzoekers grotere, complexere kwantumregisters ontwerpen met vertrouwen. Het artikel merkt ook op dat hoewel hun huidige aanpak gebruikmaakt van vaste pulspatronen, toekomstige verbeteringen kunnen bestaan uit het vloeiend variëren van de sterkte van de interactie in de tijd, wat mogelijk nog betere prestaties biedt in drukke omgevingen waar veel atomen dicht op elkaar gepakt zitten. Uiteindelijk biedt dit werk een praktisch pad voor het bouwen van robuuste kwantumcomputers gebaseerd op diamantdefecten, waardoor een theoretische mogelijkheid wordt omgezet in een tastbare technische realiteit.