Бипартитная запутанность в регистре ядерных спинов, опосредованная квази-свободным спином электрона

Почему крошечные спины в алмазе важны

Будущим квантовым компьютерам и квантовым сетям потребуются надёжные «биты памяти», способные хранить хрупкую квантовую информацию, пока фотонные частицы переносят её между удалёнными устройствами. В этом исследовании показано, как создать и управлять такой крошечной памятью внутри кристалла алмаза, используя несколько ядерных спинов (маленьких магнитов в ядрах атомов), управляемых одним электроном. Работа демонстрирует, что этот миниатюрный модуль памяти можно запутать — его части связать сильным квантовым образом — с помощью подхода, который работает в относительно простых лабораторных условиях и может быть адаптирован к разным твердотельным квантовым платформам.

Миниатюрный квантовый узел внутри алмаза

Исследователи работают со специальным дефектом в алмазе, называемым кремний-вакансным центром. В этом месте атом кремния и две пустые позиции в углеродной решётке ловят лишний электрон. Поскольку нанокристалл алмаза находится при очень высоком механическом напряжении, движение электрона и его внутренняя магнитная характеристика становятся почти независимыми, поэтому электрон ведёт себя как почти свободный спин. Этот «квази‑свободный» спин электрона легко управляется микроволнами и может быть связан со светом, что делает его отличным коммуникационным кубитом — элементом, который общается с внешним миром — в то время как соседние ядра углерода выступают в роли долговременных кубитов памяти.

Создание небольшой квантовой памяти из ядерных спинов

Вокруг дефекта некоторые атомы углерода относятся к более редкому изотопу 13C, ядра которого имеют магнитный момент и способны хранить квантовую информацию. Команда идентифицирует три сильно связанных ядерных спина, которые образуют полностью связанный трёхкубитный регистр, а также четвёртый, более слабо связанный спин. Сначала они картографируют взаимодействия этих ядер с электроном, применяя точно рассчитанные последовательности микроволновых импульсов и наблюдая, как когерентность электрона затухает или восстанавливается. Затем, сочетая непрерывную защиту электрона от шума с низкоэнергетическими микроволновыми и радиочастотными импульсами, они получают возможность адресовать каждое ядро напрямую, переворачивать его состояние и измерять его, превращая кластер в управляемый набор квантовых битов.

Сохранение квантовой информации

Основная проблема в твердотельных квантовых системах — это шум окружающей среды, который быстро разрушает деликатные квантовые состояния. В данном случае сильное напряжение делает электрон менее чувствительным к вибрациям решётки, что резко увеличивает его время жизни до сотен миллисекунд — примерно в тысячу раз лучше, чем в связанном, менее напряжённом устройстве. Команда использует методы, известные как динамическое развязывание и непрерывное возбуждение, чтобы дополнительно защитить электрон от флуктуаций магнитных полей. В то же время сами ядерные спины демонстрируют времена когерентности в несколько миллисекунд и могут взаимодействовать друг с другом чрезвычайно слабо, но измеримо, с величинами связи всего в несколько циклов в секунду. Такое сочетание надёжного «общительного» электрона и очень стабильных ядер идеально подходит для создания небольшой квантовой памяти с оптическим доступом.

Связывание ядерных спинов без разрушения электрона

Чтобы превратить трёхкубитный регистр в полезный квантовый ресурс, по крайней мере два ядерных спина должны быть запутаны. Стандартные схемы удерживают электрон в деликатной суперпозиции, пока он опосредует запутанность, что делает их уязвимыми к декогеренции электрона и нежелательным связям. Авторы вместо этого используют геометрический приём: когда электрон управляется так, что делает полный цикл в своём пространстве состояний, он накапливает сдвиг фазы, который зависит только от пути цикла, а не от деталей его времени. Подбирая управление так, чтобы этот цикл происходил только тогда, когда ядра находятся в определённой совместной конфигурации, они реализуют условный фазовый вентиль на ядерных спинах, при этом электрон возвращается в исходное состояние. В сочетании с простыми вращениями это даёт состояние Белла — запутанную пару — между двумя ядрами с фиделити, близким к пределу, обозначенному техническими погрешностями микроволновых импульсов и считывания.

Что это означает для будущих квантовых сетей

Исследование показывает, что дефект с электрона-спином 1/2, долгое время считавшийся менее удобным по сравнению с некоторыми альтернативами, на самом деле может служить хостом высококачественного многокубитного ядерного регистра и опосредовывать запутанность посредством устойчивого геометрического эффекта. Поскольку метод опирается главным образом на долгоживущие ядерные спины, а не на необходимость удерживать электрон абсолютно неподвижным, его можно перенести на другие твердотельные платформы, которые связывают свет со спинами. При дальнейших улучшениях управляющих импульсов, сбора фотонов и интеграции устройств такие регистры на основе алмаза могут обеспечить защищённые от ошибок квантовые памяти в основе систем дальнодействующей квантовой связи и сетевого квантового вычисления.

Цитирование: 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

Ключевые слова: квантовые сети, спиновые кубиты, центр-цвета в алмазе, запутанность ядерных спинов, квантовая память