محاسبات کوانتومی، برای ارائه نتایج بر اصول مکانیک کوانتومی تکیه می‌کند. این فناوری این پتانسیل را دارد که وظایف بسیار پیچیده‌تری نسبت به کامپیوترهای سنتی انجام دهد و این کار را با سرعت‌های بالا انجام دهد، و به نوعی آن را به مرز جدیدی برای علم و مهندسی تبدیل می‌کند.
برای رسیدن به نقطه‌ای که کامپیوترهای کوانتومی بتوانند پتانسیل عملکرد مورد انتظار خود را برآورده کنند، توسعه پردازنده‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ و حافظه‌های کوانتومی مورد نیاز است. کنترل دقیق کیوبیت‌ها، یا بیت‌های کوانتومی، بلوک‌های سازنده اساسی کامپیوترهای کوانتومی، برای انجام این کار بسیار مهم است، اما روش‌های کنترل کیوبیت‌ها محدودیت‌هایی دارند.
به تازگی محققان دانشگاه ملی یوکوهاما در ژاپن راهی برای کنترل دقیق کیوبیت‌ها بدون محدودیت‌های قبلی یافته‌اند. نتایج کار آن‌ها در ۲۶ ژوئیه ۲۰۲۲ در نشریه Nature Photonics منتشر شد.
هیدئو کوساکا، نویسنده مقاله، مدیر مرکز تحقیقات اطلاعات کوانتومی در مؤسسه علوم پیشرفته و استاد گروه فیزیک این دانشگاه، گفت: «مایکروویوها معمولاً برای کنترل کوانتومی منفرد استفاده می‌شوند، اما برای چنین کاری نیز سیم‌کشی جداگانه خطوط مایکروویو مورد نیاز است. از سوی دیگر، می‌توان کیوبیت‌ها را به صورت محلی، اما نه به طور دقیق، با نور دستکاری کرد.»
کوساکا و سایر محققان توانستند کنترل کیوبیت‌ها را با دستکاری اسپین الکترون از طریق ترکیبی از دستکاری مایکروویو و جابجایی نوری محلی فرکانس‌های انتقال اتم‌ها و مولکول‌ها، فرآیندی به نام تغییر استارک، با استفاده از یک مرکز خالی نیتروژن انجام دهند. مرکز خالی نیتروژن یک نوع نقص نقطه‌ای در ساختار الماس است. به عبارت دیگر، آن‌ها توانستند روش‌های نوری مبتنی بر نور لیزر را با امواج مایکروویو ترکیب کنند تا بر محدودیت‌های قبلی غلبه کنند.
محققان همچنین توانستند نشان دهند که این کنترل اسپین الکترون می‌تواند به نوبه خود اسپین هسته‌ای اتم نیتروژن را در مرکز جای خالی نیتروژن و همچنین برهمکنش بین اسپین الکترون و هسته را کنترل کند. این موضوع مهم است زیرا کنترل دقیق کیوبیت‌ها را بدون مشکل سیم‌کشی امکان‌پذیر می‌کند.
کوساکا گفت: «تابش همزمان نور و امواج مایکروویو، کنترل فردی و دقیق کیوبیت‌ها را بدون سیم کشی فردی امکان‌پذیر می‌کند. این امر راه را برای پردازنده‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ و حافظه‌های کوانتومی هموار کرده است که برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس بزرگ ضروری هستند.»
علاوه بر این، محققان توانستند درهم تنیدگی کوانتومی را بین اسپین‌های الکترون و هسته ایجاد کنند، این کار برای آماده‌سازی حالت فوتون برای انتقال به حالت اسپین هسته‌ای انجام می‌شود. این موضوع امکان اتصال بین کیوبیتی با فوتون را فراهم می‌کند و در نهایت به قدرت محاسباتی کمتری نیاز دارد و امکان انتقال اطلاعات به پردازنده‌های کوانتومی و حافظه‌های کوانتومی را با اصل تله پورت کوانتومی فراهم می‌کند.
کوساکا گفت: «با بهبود بیشتر وضوح عملکرد کوانتومی فردی و عملیات درهم تنیدگی، می‌توان به کامپیوترهای کوانتومی الماس یکپارچه در مقیاس بزرگ، ذخیره‌سازی کوانتومی و حسگرهای کوانتومی رسید.»