שזירה דו-פרטית ברישום ספינים גרעיניים המווסתת על-ידי ספין אלקטרון קוואזי-חופשי

למה ספינים זעירים ביהלום חשובים

מחשבים קוונטיים עתידיים ורשתות קוונטיות יזדקקו ל״ביטים״ של זיכרון אמינים שיכולים לאחסן מידע קוונטי עדין בעוד חלקיקי אור נושאים את המידע בין התקנים מרוחקים. המחקר הזה מראה כיצד לבנות ולשלוט בזיכרון זעיר כזה בתוך גביש יהלום, מורכב ממספר ספינים גרעיניים (המגנטים הזעירים בגרעיני אטומים) שמונחים על־ידי אלקטרון יחיד. העבודה מדגימה כי זיכרון מיניאטורי זה ניתן לשזירה — חלקיו מקושרים בצורה קוונטית חזקה — באמצעות גישה שפועלת בתנאי מעבדה יחסית פשוטים וניתנת להתאמה למגוון מכשירים מוצקיים קוונטיים.

צומת קוונטי זעיר בתוך יהלום

החוקרים פועלים עם פגם מיוחד ביהלום הנקרא מרכז ורקן-סיליקון (silicon-vacancy). באתר זה, אטום סיליקון ושתי נקודות ריקות ברשת הפחמן מלכדים אלקטרון נוסף. מאחר שננו־יהלום נמצא במתח מכאני גבוה מאוד, תנועת האלקטרון ומגנטיות הפנים שלו הופכות לכמעט בלתי תלויות זו בזו, כך שהאלקטרון מתנהג כספין כמעט חופשי. ספין אלקטרון "קוואזי-חופשי" זה קל לשליטה באמצעות מיקרוגל וניתן לקשרו לאור, מה שהופך אותו לקיוביט תקשורת מצוין — המרכיב שמתקשר עם העולם החיצוני — בזמן שהגרעינים הסמוכים של פחמן משמשים כקיוביטים זיכרון בעלי זמן חיים ארוך.

בניית זיכרון קוונטי קטן מספינים גרעיניים

מסביב לפגם, כמה אטומי פחמן הם מהסוג היוצא דופן 13C, שלגרעיניהם יש מומנט מגנטי ויכולים לאחסן מידע קוונטי. הצוות מזהה שלושה ספינים גרעיניים המקושרים בצורה חזקה היוצרים רישום תלת-קיוביטי מחובר לגמרי, ובנוסף ספין רביעי המקושר באופן חלש יותר. תחילה הם ממפים כיצד גרעינים אלה מתקשרים עם האלקטרון על ידי יישום רצפי פולסים מיקרוגל מדויקים מבחינת תזמון וצפייה כיצד הקוהרנטיות של האלקטרון מתדרדרת או מתחדשת. לאחר מכן, בשילוב הגנה רציפה על האלקטרון מפני רעש עם פולסים חלשים של מיקרוגל ותדר-רדיו, הם יכולים לטפל בכל גרעין ישירות, להפוך את מצבו ולמדוד אותו, ולהפוך את הצבר לסט קיוביטים שניתן לשלוט בו.

שמירה על מידע קוונטי חי

אתגר מרכזי במערכות קוונטיות מוצקיות הוא רעש מהסביבה, שמחריב במהירות מצבים קוונטיים עדינים. כאן, המתח החזק הופך את האלקטרון לפחות רגיש לרעידות ברשת, מה שמאריך באופן דרמטי את זמן החיים שלו עד למאות מילישניות — כאלף פעמים טוב יותר ממכשיר דומה בעל מתח נמוך יותר. הצוות משתמש בשיטות הידועות כניתוק דינמי והנעה רציפה כדי להגן עוד יותר על האלקטרון מפני שדות מגנטיים מתנדנדים. במקביל, הספינים הגרעיניים עצמם מציגים זמני קוהרנטיות של מספר מילישניות ויכולים אינטראקט באופן חלש מאוד אך מדיד, בעוצמות קישור של רק כמה מחזורים לשנייה. השילוב של אלקטרון "תקשורתי" עמיד וגרעינים יציבים מאוד אידיאלי לבניית זיכרון קוונטי קטן שאפשר לגשת אליו אופטית.

קישור בין ספינים גרעיניים בלי לשחוק את האלקטרון

כדי להפוך את רישום התלת־קיוביטים למשאב קוונטי שימושי, לפחות שניים מהספינים הגרעיניים חייבים להיות משוזרים. סכמות סטנדרטיות שומרות על האלקטרון בסופרפוזיציה עדינה בזמן שהוא מתווך שזירה, מה שהופך אותן לפגיעות לדקוהרנטיות האלקטרון ולחיבורים לא רצויים. במקום זאת, המחברים מנצלים תחבולה גאומטרית: כאשר האלקטרון מונע סביב לולאה מלאה במרחב מצבו, הוא צובר גלישה פאזה שתלויה רק בנתיב הלולאה, לא בפרטי התזמון. על ידי כוונון ההנעה כך שהלולאה תתרחש רק כאשר הגרעינים במצב משותף מסוים, הם מיישמים שער פאזה מותנה על הספינים הגרעיניים בזמן שהאלקטרון מסתיים בחזרה במצבו המקורי. בשילוב עם סיבובים פשוטים, זה מייצר מצב בל — זוג משוזר — בין שני גרעינים, עם נאמנות הקרובה לגבול שקובע הפגמים הטכניים בפולסי המיקרוגל ובקריאת המצב.

מה משמעות הדבר לרשתות קוונטיות עתידיות

המחקר מראה כי פגם אלקטרון s=1/2, שנחשב למשך זמן רב לפחות נוח מאשר כמה אלטרנטיבות, יכול בפועל לארח רישום גרעיני רב־קיוביטי איכותי ולתווך שזירה באמצעות אפקט גאומטרי עמיד. מאחר שהשיטה נשענת בעיקר על הספינים הגרעיניים ארוכי־החיים ולא על שמירה על האלקטרון שותק לחלוטין, ניתן להעביר אותה לפלטפורמות מוצקיות אחרות המקשרות אור לספינים. עם שיפורים נוספים בפולסות הבקרה, איסוף פוטונים ואינטגרציה של המכשיר, רישומים מבוססי יהלום כאלה עשויים לספק את הזיכרונות הקוונטיים המתוקנים לשגיאות שעמודים בלב התקשורת הקוונטית למרחקים ארוכים ומחשוב קוונטי ברשת.

ציטוט: Klotz, M., Tangemann, A., Opferkuch, D. et al. Bipartite entanglement in a nuclear spin register mediated by a quasi-free electron spin. Nat Commun 17, 2325 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70154-3

מילות מפתח: רשתות קוונטיות, קיוביטים של ספין, מרכזי צבע ביהלום, שזירת ספין גרעיני, זיכרון קוונטי