ES3049665T3 - Quantum information processing device, assembly, arrangement, system and sensor - Google Patents

Abstract

Esta divulgación se refiere a un dispositivo integrado de procesamiento de información cuántica con chips anfitriones que poseen un cuerpo. Cada cuerpo tiene una primera superficie, una segunda superficie opuesta a la primera, un grupo de defectos y estructuras ópticas para dirigir la luz de excitación que ha entrado en el chip anfitrión hacia el grupo de defectos y para dirigir la luz fluorescente emitida por el grupo de defectos hacia el chip anfitrión. Un chip base tiene un primer lado acoplado a la segunda superficie de cada chip anfitrión, un segundo lado y una estructura de guía de señales electromagnéticas para guiar las señales de control electromagnéticas hacia el grupo de defectos. Un campo magnético está alineado con un eje de espín en un centro de color del grupo de defectos y permite la inicialización y la lectura de los estados de espín nuclear de dicho centro. Para cada chip anfitrión, el grupo de defectos se ubica próximo a la segunda superficie respectiva con respecto a la primera. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0003] Dispositivo, conjunto, disposición, sistema y sensor de procesamiento de información cuántica

[0005] La presente solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente provisional australiana n.° 2019903476 presentada el 18 de septiembre de 2019.

[0007] Campo técnico

[0009] La presente invención se refiere al procesamiento de información cuántica.

[0011] Antecedentes

[0013] Un procesador de información cuántica de centro de defectos se basa en uno o más grupos de defectos en un material anfitrión. Dichos grupos de defectos están compuestos por un defecto con un giro electrónico ópticamente direccionable y giros nucleares cercanos. Los giros nucleares y el giro electrónico forman una unidad de procesamiento de información cuántica (QIP), donde el giro electrónico actúa como un bus cuántico para inicializar y leer los estados de giro nuclear, que actúan como cúbits. Una o más unidades QIP pueden utilizarse como un ordenador cuántico. El giro electrónico también puede utilizarse como sensor de su entorno, utilizando los giros nucleares cercanos para mejorar la capacidad de detección. Una realización particular de un procesador de información cuántica de centro de defectos utiliza el diamante como material anfitrión. Los grupos de defectos están compuestos por un centro de nitrógeno-vacante (NV), con giros electrónicos y nucleares de nitrógeno, y giros nucleares cercanos, como los de los átomos de 06 *13C en la red del diamante. Otra forma de realización potencial utiliza centros de divacante en carburo de silicio (SiC), cuyo giro electrónico se comporta de manera similar al centro NV del diamante, rodeado por giros nucleares cercanos en la red de SiC.

[0015] La lectura de alta fidelidad de los estados de giro nuclear en un solo disparo es importante para el procesamiento de información cuántica. Esta fidelidad depende en gran medida del tiempo de vida nuclear T<1>durante la lectura. Para lograr altas fidelidades, el tiempo de vida nuclear T<1>durante la lectura se puede extender mediante la aplicación de un campo magnético. La alineación de este campo magnético con el eje de cuantificación del giro electrónico es importante para la fidelidad de la lectura de un solo disparo.

[0017] En la Figura 1, se muestra un diagrama de bloques que ilustra una computadora cuántica de diamante estándar 100. Esta computadora incluye un controlador 120 acoplado operativamente a un aparato óptico 130, fuentes de microondas y radiofrecuencia 140 y un aparato magnético 150. El aparato óptico 130 incluye uno o más sistemas láser pulsados, un objetivo de microscopio, un detector de fotones y un sistema de posicionamiento para alinear la trayectoria óptica con el grupo de defectos en un procesador cuántico 110. El sistema de posicionamiento del aparato óptico 130 puede incluir una platina de nanoposicionamiento o microposicionamiento XYZ, o una combinación de platina de nanoposicionamiento o microposicionamiento en el eje Z con un conjunto de escaneo de espejo galvanométrico XY. El aparato magnético 150 consta de un generador de campo magnético y un sistema de posicionamiento para alinear un campo magnético no homogéneo, generado por dicho generador, con un eje NV de un procesador cuántico 110. El sistema de posicionamiento del aparato magnético 150 comprende una platina de microposicionamiento XYZ. El procesador cuántico 110 suele estar montado sobre una platina XYZ para facilitar la alineación aproximada con los aparatos ópticos y magnéticos. Esta platina XYZ suele operarse manualmente.

[0019] El controlador 120 está configurado para controlar la generación de pulsos láser, de microondas o de radiofrecuencia, y el campo magnético no homogéneo dirigido hacia el procesador cuántico 110. El controlador 120 controla con precisión el sistema de posicionamiento del aparato óptico para alinear la trayectoria óptica con el grupo de defectos, y el sistema de posicionamiento del aparato magnético 150 para alinear el campo magnético con el eje NV del procesador cuántico 110. El controlador 120 puede analizar la luz emitida por el procesador cuántico 110 y capturada por el aparato óptico para leer el estado cuántico del ordenador cuántico 130. JANIS SMITS ET AL: "Two-dimensional nuclear magnetic resonance spectroscopy with a microfluidic diamond quantum sensor", ARXIV.ORG, CORNELL UNIVERSITY LIBRARY, 201 ONLINE LIBRARY CORNELL UNIVERSITY ITHACA, NY 14853, 9 de enero de 2019 (09/01/2019), páginas 1-16, XP081013596, describe sensores cuánticos de diamante microfluídicos con una matriz Halbach para prepolarizar un analito y un magnetómetro de bobina de RMN enrollado alrededor de un volumen de agua. Mouradian Sara Lambert: "A scalable quantum computation platform: solid state quantum memories coupled to photonic integrated circuits", Massachusetts Institute of Technology, 1 de junio de 2018 (01/06/2018), páginas 1-108, XP055805930, describe una memoria cuántica de estado sólido acoplada a circuitos integrados fotónicos.

[0020] Kim, D., Ibrahim, M.I., Foy, C., Trusheim, M.E., Han, R. y Englund, D.R.: "CMOS-Integrated Diamond Nitrogen-Vacancy Quantum Sensor", arXiv: Applied Physics, 2018, revela que el centro de vacancia de nitrógeno (NV) en el diamante se ha convertido en un sensor cuántico de estado sólido líder para aplicaciones como magnetometría, electrometría, termometría y detección química. Sin embargo, un desafío importante para las aplicaciones prácticas es que las técnicas de detección basadas en NV existentes requieren instrumentos voluminosos y discretos para el control y la detección de giro. Los autores abordan este desafío integrando la detección cuántica basada en NV con tecnología complementaria de semiconductores de óxido metálico (CMOS). Mediante la generación y fotodetección de microondas integradas en CMOS a medida, este trabajo reduce drásticamente el uso de instrumentación para la magnetometría y la termometría cuánticas.

[0021] Esta integración híbrida diamante-CMOS permite una plataforma ultracompacta y escalable para la detección y el procesamiento de información cuántica.

[0022] Boss JM, Cujia KS, Zopes J, Degen CL.: "Quantum sensing with arbitrary frequency resolution", Science.

[0023] 2017;356(6340):837-840. doi:10.1126/science.aam7009 revela que la detección cuántica aprovecha sistemas cuánticos bien controlados para realizar mediciones con alta sensibilidad y precisión. Los autores han implementado un concepto de detección cuántica con resolución de frecuencia arbitraria, independiente de la sonda de cúbits y limitado únicamente por la estabilidad de un reloj de sincronización externo.

[0024] Una desventaja de los sistemas de computación cuántica actuales es que los sistemas de posicionamiento del procesador cuántico 110, el aparato óptico 130 y el aparato magnético 150 son costosos y voluminosos, lo que añade complejidad e inestabilidad mecánica. Además, en los sistemas de computación cuántica actuales suele existir un equilibrio entre el acceso óptico al conjunto de defectos y el acoplamiento eficiente de los campos de control electromagnético, causados por los pulsos de microondas o radiofrecuencia, con dicho conjunto de defectos. Además, en los sistemas de computación cuántica actuales, la lente del objetivo del microscopio es voluminosa y costosa.

[0025] Resumen

[0026] El objetivo de la presente invención es superar sustancialmente, o al menos mitigar, una o más desventajas de las disposiciones existentes. La invención se define en el conjunto de reivindicaciones adjunto. A continuación se describen más detalles del método, los dispositivos y el sistema descritos, que ayudan a comprender la invención reivindicada.

[0027] Breve descripción de los dibujos

[0028] Los ejemplos de forma de realización se harán evidentes a partir de la siguiente descripción, que se da sólo a modo de ejemplo, de al menos una forma de realización preferida pero no limitativa, descrita en relación con las figuras adjuntas.

[0029] La figura 1 es un diagrama de bloques de un ejemplo de una computadora cuántica de diamante de técnica anterior;

[0030] La figura 2 es un esquema de un ejemplo de un conjunto de procesamiento de información cuántica integrado que comprende un dispositivo de procesamiento de información cuántica integrado;

[0031] La figura 3 es un esquema de un ejemplo de un chip anfitrión del conjunto de procesamiento cuántico integrado de la figura 2;

[0032] La figura 4 es un esquema de otro ejemplo de un chip anfitrión del conjunto de procesamiento cuántico integrado de la figura 2;

[0033] La figura 5 es un esquema de un ejemplo de un chip base del conjunto de procesamiento cuántico integrado de la figura 2;

[0034] La figura 6 es un esquema de un ejemplo de un dispositivo de procesamiento de información cuántica;

[0035] La figura 7A es un esquema de un ejemplo de un dispositivo magnético del conjunto de procesamiento de información cuántica de la figura 2 y/o de la disposición de procesamiento de información cuántica de la figura 6; La figura 7B es un esquema de un ejemplo alternativo de un dispositivo magnético del conjunto de procesamiento de información cuántica de la figura 2 y/o de la disposición de procesamiento de información cuántica de la figura 6;

[0036] La figura 8 es un esquema de un ejemplo de un sistema integrado de procesamiento de información cuántica; La figura 9 es un diagrama de bloques que muestra un método de ejemplo de fabricación de una pluralidad de chips anfitriones en un sustrato anfitrión para fabricar un conjunto de procesamiento de información cuántica integrado;

[0037] La figura 10 es un esquema de un ejemplo de un conjunto de procesamiento de información cuántica integrado o una disposición de procesamiento de información cuántica que comprende múltiples chips anfitriones asociados con estructuras de guía de señales de control electromagnético de un chip base;

[0038] Las figuras 11A a 11D son esquemas de ejemplos de conjuntos y disposiciones de procesamiento de información cuántica integrados proporcionados en forma de un sensor cuántico; y

[0039] La Figura 12 es un esquema de un diagrama de bloques de un controlador de ejemplo adecuado para su uso como parte del sistema integrado de procesamiento de información cuántica de la Figura 8.

[0041] Descripción de formas de realización

[0043] Los siguientes ejemplos se describen para facilitar una comprensión más precisa del objeto de una o varias formas de realización preferidas. En las figuras, que ilustran las características de una forma de realización de ejemplo, se utilizan números de referencia similares para identificar piezas similares en todas ellas.

[0045] En referencia a la figura 2, se muestra un ejemplo de un dispositivo de computación cuántica integrado 205 que, en este ejemplo, forma parte de un conjunto de procesamiento de información cuántica integrado 200. El dispositivo de computación cuántica integrado 205 comprende un chip anfitrión 210 y un chip base 220. El chip anfitrión 210 tiene un cuerpo 310 (véase la figura 3) que tiene una primera superficie 312 (véase la figura 3), una segunda superficie 311 (véase la figura 3) opuesta a la primera superficie 312 (véase la figura 3), un grupo de defectos 320 (véase la figura 3) y una o más estructuras ópticas 330/340 (véase la figura 3) formadas en el cuerpo 310 (véase la figura 3) para dirigir la luz de excitación que ha entrado en el chip anfitrión 210 hacia el grupo de defectos 320 (véase la figura 3) y para dirigir la luz fluorescente emitida por el respectivo grupo de defectos 320 para que salga del respectivo chip anfitrión para su detección por un aparato óptico 260, como un Detector de fotones 850 (véase la figura 8). El chip base 220 tiene un primer lado 511 (véase la figura 5) acoplado directa o indirectamente a la segunda superficie del cuerpo 310 (véase la figura 3), un segundo lado 512 (véase la figura 5) y una estructura de guía de señales electromagnéticas 520 configurada para guiar las señales de control electromagnéticas 240 hacia el grupo de defectos 320 del chip anfitrión 210 (véase la figura 3). Dichas señales tienen una frecuencia dentro de un rango que abarca los rangos de microondas y radiofrecuencia. Por ejemplo, el rango de frecuencia que abarca los rangos de microondas y radiofrecuencia es de aproximadamente 3 kHz a aproximadamente 300 GHz. Un campo magnético alineado con un eje de giro en el centro de color del grupo de defectos 320 permite al menos una de las siguientes acciones: la inicialización y la lectura de los estados de giro nuclear del centro de color correspondiente del grupo de defectos 320.

[0047] Como se muestra en la figura 2, el campo magnético en el grupo de defectos 320 es generado o contribuido por un aparato magnético 230, donde el conjunto de procesamiento de información cuántica integrado 200 comprende el aparato magnético 230 que está integrado con el chip base 220 para generar o contribuir al campo magnético en el grupo de defectos 320. El conjunto de procesamiento de información cuántica integrado 200 forma un procesador cuántico integrado.

[0049] El dispositivo integrado de procesamiento de información cuántica 205 ofrece una o más ventajas significativas. La integración de una o más estructuras ópticas en el chip anfitrión 210 mejora la inicialización de cúbits y la fidelidad de lectura. Además, se elimina el uso de un elemento óptico independiente del chip anfitrión, como un objetivo de microscopio y los sistemas de escaneo asociados, lo que mejora la estabilidad mecánica, reduce el coste y el tamaño de los conjuntos, aparatos, configuraciones y sistemas de procesamiento de información cuántica que utilizan el dispositivo integrado de procesamiento de información cuántica 205. Asimismo, al eliminar la necesidad de un objetivo de microscopio de alta apertura numérica con un campo de visión limitado, se pueden direccionar ópticamente múltiples clústeres con alta fidelidad en un área extensa.

[0051] El chip anfitrión 210 puede estar hecho de diversos materiales que comprenden un grupo de defectos 320 con un giro electrónico ópticamente direccionable y giros nucleares cercanos. Por ejemplo, el chip anfitrión 210 puede ser de diamante, donde el grupo de defectos 320 comprende un centro de color proporcionado en forma de un centro NV (nitrógeno-vacante) y átomos de 13C cercanos, como se describe en Waldherr, G. et al.,Quantum error correction in a solid-state hybrid spin register,Nature 506, 204-207 (2014). En otra forma, el chip anfitrión 210 puede ser de carburo de silicio, como se describe en Christle, D.J. et al.,Isolated Spin Qubits in SiC with a High Fidelity Infrared Spin-to-Photon Interface,Phys. Rev. X 7021046 (2017), y Christle, D.J. et al.,Isolated electron spins in silicon carbide with millisecond coherence times,Nat. Mater. 14, 160-163

[0053] La inicialización y la fidelidad de lectura de cúbits del dispositivo de procesamiento cuántico integrado 205 se pueden mejorar de diversas maneras. En una forma de realización, se puede mejorar mejorando la eficiencia de recolección de fluorescencia del centro de color. En una forma de realización adicional o alternativa, se puede mejorar reduciendo la detección de fluorescencia de fondo mediante la formación de un volumen de recolección de fluorescencia y excitación óptica bien enfocado en el cuerpo 310. A continuación, se describen las características que buscan proporcionar una o más de estas mejoras.

[0055] En referencia a la figura 3, el acceso óptico al grupo de defectos 320 se puede lograr a través de la primera superficie 312 (es decir, la parte posterior) del chip anfitrión 210. Por lo tanto, el grupo de defectos 320 se encuentra próximo a la segunda superficie 311, en relación con la primera superficie 312, que también está próxima a la estructura de guía de señales electromagnéticas 520 (véase la figura 5) proporcionada por el chip base 220. Esto permite un control eficiente de los giros en el grupo de defectos 320 mediante pulsos de señales de control electromagnéticas, pero inhibe el acceso óptico desde la parte frontal (es decir, la segunda superficie 311). Para minimizar la distorsión óptica y la fluorescencia de fondo, es preferible minimizar el grosor del chip anfitrión 210.

[0056] Como se muestra en la figura 3, al menos algunas de las estructuras ópticas comprenden una estructura óptica reflectante 330 estampada en la segunda superficie 311 (es decir, la cara frontal) del chip anfitrión 210. La estructura óptica 330 puede estar diseñada para actuar como una lente de enfoque, para enfocar la luz colimada incidente en el chip anfitrión 210 sobre el grupo de defectos 320, y para colimar la luz fluorescente emitida por el grupo de defectos 320 para que salga al chip anfitrión 210 para su detección por un aparato óptico 260. La estructura óptica 330 puede proporcionarse en forma de un recubrimiento o película reflectante que se puede aplicar a las superficies 312, o una estructura reflectante formada mediante la eliminación de material del cuerpo 310, y/o mediante la adición de material (por ejemplo, mediante evaporación o crecimiento de cristales) sobre la superficie 312.

[0058] Como se muestra en la figura 3, al menos algunas de las estructuras ópticas incluyen una estructura óptica antirreflectante 340, cuya primera superficie 312 (es decir, la parte posterior) del chip anfitrión 210 puede diseñarse para minimizar la reflexión. En una forma, la estructura óptica antirreflectante 340 está configurada para enfocar la luz que entra en el chip anfitrión 210 sobre el grupo de defectos 320 y para enfocar la luz fluorescente emitida por el centro de color hacia la salida del chip anfitrión 210 para su detección por el aparato óptico 260. La estructura óptica 330 puede proporcionarse en forma de un recubrimiento o película antirreflectante que se puede aplicar a la superficie 312, o una estructura antirreflectante formada mediante la eliminación de material anfitrión del cuerpo 310 o la adición de material (por ejemplo, mediante evaporación o crecimiento de cristales) sobre la superficie 312. La estructura óptica antirreflectante 340 puede proporcionarse en forma de un recubrimiento de SiO2 u otro material de recubrimiento adecuado. En este caso, el recubrimiento de SiO2 podría tener un espesor aproximado de 100 nm /- 20 nm si se utiliza diamante para el chip anfitrión. En una disposición alternativa, la o las estructuras ópticas pueden constar de una superficie frontal 311 del chip anfitrión 210 sin patrón que, debido a la discrepancia entre el índice de refracción del material anfitrión y el aire, que crea una superficie reflectante, puede utilizarse como estructura óptica reflectante.

[0060] En referencia a la figura 4, se muestra una implementación específica del chip anfitrión 210 en donde al menos algunas de las una o más estructuras ópticas están fabricadas en la segunda superficie 311. En una forma, la una o más estructuras ópticas fabricadas en la segunda superficie 311 pueden proporcionarse en forma de una superficie reflectante curva, tal como un microespejo curvo o un microespejo combinado y un elemento de enfoque. En otro ejemplo, las estructuras ópticas pueden comprender un espejo parabólico 410, orientado hacia el grupo de defectos 320. La superficie reflectante curva, como el espejo parabólico 410, define parcialmente la segunda superficie 311 del cuerpo del chip anfitrión 210. El grupo de defectos 320 se ubica en un punto focal del espejo parabólico 410. La superficie reflectante curva, de modo que el espejo parabólico 410, está configurada para reflejar y enfocar la luz de excitación sobre el grupo de defectos 320 y reflejar y enfocar la luz fluorescente emitida del centro de color para que salga del chip anfitrión 210 y sea detectada por el aparato óptico 260. El espejo parabólico 410 proporciona una ventajosa eficiencia de recolección de fluorescencia, con eficiencias demostradas superiores al 40 % y eficiencias de recolección simuladas superiores al 75 %. En una forma, la superficie reflectante curva puede tener un revestimiento o película reflectante para mejorar la reflexión de la luz incidente en ángulos que no se reflejan internamente por completo. Sin embargo, en otras disposiciones, la superficie reflectante curva puede aprovechar la reflexión interna total en el límite entre el anfitrión y el aire para funcionar sin un revestimiento o película.

[0062] En otra forma, al menos algunas de las una o más estructuras ópticas fabricadas en la parte trasera (es decir, la primera superficie 312) del chip anfitrión 210 pueden incluir una lente de inmersión sólida, una lente de inmersión sólida de Fresnel (refractiva o difractiva) o una lente difractiva que comprende estructuras (por ejemplo, nanopilares) donde el índice de refracción efectivo se modula variando la relación de llenado de aire/material anfitrión.

[0064] En referencia a la figura 5, se muestra un ejemplo del chip base 220 del dispositivo integrado de procesamiento de información cuántica 205. Se apreciará a partir del ejemplo analizado en relación con la figura 2 que la superficie frontal 311 del chip anfitrión 210 está acoplada directamente al chip base 220. Sin embargo, como se analizará en ejemplos posteriores, el chip base 220 puede acoplarse al chip anfitrión 210 a través de uno o más dispositivos intermediarios.

[0066] Como se muestra en la figura 5, el chip base 220 consta de un sustrato 510 con una cara frontal 511 y una cara posterior 512. La cara frontal del sustrato 511 consta de una o más estructuras de guía de señales de control electromagnéticas 520 para guiar las señales de control electromagnéticas 240 generadas externamente, emitidas por una o más fuentes electromagnéticas 870 (véase la figura 8), hasta el grupo de defectos 320. El sustrato 510 se fabrica preferiblemente con un material de alta resistencia mecánica, alta conductividad térmica y bajo coste. La resistencia mecánica es necesaria para minimizar el espesor del sustrato y, por lo tanto, la distancia entre el grupo de defectos 320 y el dispositivo magnético 230. Se requiere una alta conductividad térmica para distribuir el calor generado por las señales de control electromagnéticas 240. Un material de sustrato adecuado para el chip base 220 es el zafiro, que presenta alta resistencia mecánica y conductividad térmica, pero es mucho más económico que otros materiales adecuados como el diamante.

[0068] [0023]El chip base 220 está diseñado para maximizar la eficiencia de acoplamiento de las señales de control electromagnéticas 240 con el grupo de defectos 320. Este chip permite el uso de potencias de microondas/radiofrecuencia más bajas para controlar las puertas cuánticas rápidas en los giros del grupo de defectos 320, necesarias para la computación cuántica de alta fidelidad. La reducción de los requisitos de potencia electromagnética minimiza la degradación de la fidelidad de la computación cuántica causada por el calentamiento inducido por electromagnetismo, así como el coste y el tamaño de la electrónica electromagnética. El acoplamiento electromagnético eficiente se consigue mediante la estructura de guía de la señal de control electromagnética 520. Se puede utilizar una única estructura de guía 520 para una fabricación sencilla, o se pueden utilizar estructuras de guía 520 independientes, optimizadas por separado para frecuencias de microondas y radio (por ejemplo, en el rango de frecuencia de 3 kHz a 300 GHz). Al abordar ópticamente el grupo de defectos 320 a través de la parte posterior del diamante 312, es posible posicionar la estructura de guía de señal de control electromagnético 520 de manera tal que el grupo de defectos 320 se ubique donde el campo electromagnético generado es fuerte y está orientado de manera óptima para alinearse con el eje de giro del centro de color.

[0070] En una forma de realización, las estructuras de guía de la señal de control electromagnético 520 pueden proporcionarse en forma de microbandas y guías de ondas coplanares (CPW). Para garantizar la orientación óptima del campo magnético con respecto al eje de giro del centro de color 320, el centro de la microbanda o línea de señal CPW se sitúa directamente debajo del grupo de defectos 320, de modo que un campo electromagnético polarizado linealmente generado por la microbanda o línea de señal CPW hace que el campo magnético neto en el grupo de defectos 320 se oriente sustancialmente perpendicular, y preferiblemente perpendicular, al eje de giro del grupo de defectos 320. El ruido de Johnson en la estructura de guía metálica proporciona una distancia mínima de separación entre el grupo de defectos 320 y la estructura de guía 520 de varios cientos de nanómetros. Para maximizar la amplitud del campo electromagnético, el ancho de la microbanda o línea de señal CPW se mantiene pequeño, mientras que la distancia entre el grupo de defectos 320 y la microbanda o CPW se mantiene pequeña en relación con el ancho de la microbanda o línea de señal CPW.

[0072] En una variación, la estructura de guía de señal electromagnética 520 del chip base 220 puede estar provista de una estructura reflectante para reflejar y preferiblemente enfocar la luz que ha salido del chip anfitrión 210 de regreso hacia el grupo de defectos 320, lo que da como resultado eficiencias de excitación y lectura mejoradas.

[0074] En la figura 6, se muestra un ejemplo de un dispositivo de procesamiento de información cuántica 600. Este dispositivo comprende el dispositivo integrado de procesamiento de información cuántica 205, descrito en las figuras 2 a 4. El chip anfitrión 210 y el chip base 220 del dispositivo 600 están configurados de la misma manera que se ejemplifica y describe en la figura 5. Por lo tanto, para mayor claridad y para evitar la duplicación de contenido, se entenderá que la descripción anterior relativa al chip anfitrión 210 y al chip base 220 se aplica también a la figura 6. Sin embargo, a diferencia del conjunto de procesamiento de información cuántica 200, donde el aparato magnético 230 está fijado al chip base 220, el aparato magnético 230 del dispositivo 600 se ubica próximo y separado del chip base 220 para generar el campo magnético alineado con el grupo de defectos 320.

[0076] El aparato magnético 230, comprende un material de imán permanente 531 acoplado a un material de alta permeabilidad 532.

[0078] Para preservar el acceso óptico a la parte posterior del diamante 312, se puede utilizar un dispositivo magnético unilateral 230, ubicado cerca de la parte frontal 311 del chip anfitrión 210 y detrás del chip base 220. Se pueden utilizar uno o más componentes magnéticos, como uno o más imanes permanentes. El flujo magnético en la parte superior de los imanes se mejora mediante la inclusión de una estructura de material de alta permeabilidad magnética, por ejemplo, acero de alta permeabilidad, en una disposición magnética. Esta disposición magnética permite campos magnéticos más amplios en el grupo de defectos 320, mejorando así la inicialización de cúbits y la fidelidad de lectura. Alternativamente, esta disposición magnética permite reducir el tamaño de los imanes necesarios para generar un campo magnético determinado en el grupo de defectos 320.

[0080] En referencia a la figura 7A, se muestra un ejemplo de un aparato magnético 230 que comprende uno o más componentes magnéticos 710, 730. El aparato magnético 230 de la figura 7A puede formar parte del conjunto integrado de procesamiento de información cuántica 200, donde está integrado con el chip base 220, en el sentido de que está fijado a este. En una forma de realización alternativa no contemplada en las reivindicaciones, el aparato magnético 230 de la figura 7A puede formar parte de la disposición de procesamiento de información cuántica 600, donde el aparato magnético 230 está ubicado próximo y separado del chip base 220, y configurado para generar o contribuir al campo magnético en el centro de color respectivo de cada grupo de defectos 320. En cualquier aspecto, el aparato magnético 230 consta de un imán cónico 710 magnetizado a lo largo del eje cónico 740, con una base de gran diámetro 750 y un pico de pequeño diámetro 760. Esta geometría produce un campo magnético intenso en el pico del imán cónico 710, orientado sustancialmente en paralelo al eje del cono 740, presenta un ángulo 720 entre la base del cono 750 y sus lados, preferiblemente de 35,3°. El grupo de defectos 320 se encuentra a poca distancia por encima del pico 760 del cono 710 en cualquier aspecto, independientemente de si el aparato magnético 230 está fijado al chip base 220 o cerca de él. El flujo magnético en el pico del cono 710 se puede magnificar mediante una geometría cónica que define un ángulo 720 entre la base del cono 750 y sus lados, de entre 30° y 40°, preferiblemente de 35,3°. El flujo magnético en el pico 760 del cono 710 se mejora uniendo un disco de material de alta permeabilidad 730, por ejemplo acero de alta permeabilidad, a la base 750 del cono 710. En experimentos que se han llevado a cabo utilizando la configuración ilustrada en la figura 7A, la masa del aparato magnético 230 se ha miniaturizado de 3165 g a 220 g.

[0082] [0030]En la figura 7B se muestra una implementación alternativa del aparato magnético 230, que comprende un par de imanes 780 y 790 con caras superior e inferior 771 y 772. El aparato magnético 230 de la figura 7B se puede fijar al chip base. Los imanes 780 y 790 están acoplados de forma que sus polaridades opuestas se encuentran adyacentes. El primer imán 780 está magnetizado de abajo a arriba 795, y el segundo imán 790 de arriba a abajo 796. La orientación del primer imán 780 con respecto al segundo imán 790 produce un intenso campo magnético sobre los imanes 780 y 790, con un amplio rango de orientaciones de campo. El flujo magnético en la parte superior de los imanes se mejora uniendo un bloque de material de alta permeabilidad 799, por ejemplo acero de alta permeabilidad, a la base del par de imanes 780, 790. En experimentos que se han llevado a cabo utilizando la configuración ilustrada en la figura 7B, la masa del aparato magnético 230 se ha miniaturizado de 720 g a 170 g.

[0084] La miniaturización proporcionada por el chip anfitrión 210, el chip base 220 y el material de alta permeabilidad del aparato magnético 230 permiten el acoplamiento del aparato magnético 230 con el chip base 220, como se explicó anteriormente en relación con el conjunto integrado de procesamiento de información cuántica 200. Este acoplamiento elimina la necesidad de una costosa y voluminosa etapa de posicionamiento de precisión XYZ, y ofrece varias ventajas adicionales. Por ejemplo, el movimiento mecánico entre el aparato magnético 230 y el grupo de defectos 320 puede provocar fluctuaciones en la amplitud y/o la orientación del campo magnético en el grupo de defectos 320, debido a inhomogeneidades espaciales en el campo magnético. El conjunto integrado de procesamiento de información cuántica 200 evita el movimiento mecánico entre el aparato magnético 230 y el grupo de defectos 320 y, por lo tanto, se beneficia de una mayor estabilidad del campo magnético en dicho grupo. Además, al minimizar el espacio de aire entre la capa magnética 230 y la parte posterior 512 del sustrato 510 del chip base 220, se minimiza la distancia entre el aparato magnético 230 y el grupo de defectos 320. Esta distancia minimizada aumenta la intensidad del campo magnético en el grupo de defectos 320 para una geometría dada del aparato magnético 230, lo que permite reducir el tamaño del imán o aumentar el campo magnético (y, por lo tanto, mejorar la fidelidad de lectura de un solo disparo de cúbits). Además de la estabilización de la temperatura, la miniaturización permite la refrigeración (sin criógeno) del dispositivo de procesamiento de información cuántica 205. La refrigeración aumenta el tiempo de coherencia de cúbits, lo que permite (1) aplicar más puertas cuánticas durante dicho tiempo; o (2) más cúbits dentro de un grupo, a expensas de mayores duraciones de las puertas cuánticas (los núcleos débilmente acoplados presentan una separación más desigual en el espacio de frecuencias, lo que requiere puertas más lentas para lograr selectividad). En una forma de realización, se puede utilizar un elemento Peltier, o una pila de elementos Peltier, para refrigerar eléctricamente el dispositivo de procesamiento de información cuántica 205. Para evitar la condensación en el dispositivo refrigerado, este se envasa preferiblemente en atmósfera controlada o al vacío.

[0086] El campo magnético producido por los imanes permanentes depende de la temperatura. Para evitar variaciones bruscas en la intensidad del campo magnético, es preferible mantener la temperatura del imán del aparato magnético 230 estable con una precisión de unas pocas decenas de milikelvin durante escalas de tiempo de al menos unos minutos. La miniaturización proporcionada por el dispositivo integrado de procesamiento de información cuántica 205 reduce la carga térmica, simplificando así la estabilización pasiva y activa de la temperatura. Además, el dispositivo integrado de procesamiento de información cuántica miniaturizado 205 es inherentemente menos susceptible a las variaciones inducidas por la expansión térmica.

[0088] La orientación del campo magnético generado por el aparato magnético 230 puede alinearse durante el ensamblaje del conjunto integrado de procesamiento de información cuántica 200. El aparato magnético 230 puede montarse inicialmente en una plataforma de posicionamiento de precisión y escanearse su posición mientras se monitoriza el centro del defecto. La posición óptima del aparato magnético optimiza la fidelidad de lectura de cúbits. Con la capa magnética en la posición óptima, el aparato magnético 230 puede fijarse al chip base 220 y separarse de la plataforma de posicionamiento de precisión. La fijación puede lograrse con un adhesivo u otras técnicas de fijación conocidas.

[0090] En un método de ensamblaje alternativo, en lugar de escanear la posición del aparato magnético 230 para lograr un campo magnético bien alineado con el centro del defecto, se puede lograr una alineación de alta precisión del campo magnético con respecto al grupo de defectos 320 mediante un amplio campo electromagnético externo para remagnetizar permanentemente el aparato magnético 230 en una dirección óptima. Esto se logra colocando el conjunto integrado de procesamiento de información cuántica 200 en el orificio de un imán vectorial superconductor y ajustando la orientación del campo magnético para optimizar la fidelidad de lectura de disparo único de los giros del cúbit. Antes de este paso, el imán permanente no requiere un momento magnético neto (es decir, no se requiere un paso de magnetización final). El conjunto integrado de procesamiento de información cuántica 200 puede entonces retirarse del orificio de un imán vectorial superconductor y estar listo para su uso.

[0092] En una forma de realización, el chip base 220 comprende además un dispositivo generador de campo electromagnético sintonizable 1280 (véase la figura 12), configurable para ajustar la alineación del campo magnético en el eje de giro del centro de color, de modo que el campo magnético neto en dicho centro (es decir, el campo magnético generado por el aparato magnético y el campo electromagnético generado por el dispositivo generador de campo electromagnético sintonizable 1280) se alinee con dicho eje. En una forma, el dispositivo generador de campo electromagnético sintonizable 1280 puede incluir uno o más pares de cables cruzados, eléctricamente aislados entre sí, que se intersecan cerca del grupo de defectos 320 en el chip anfitrión. Se puede aplicar una corriente continua (CC) a uno o ambos cables para crear un campo magnético en el grupo de defectos 320 que ajusta la orientación del campo magnético neto en el centro de color para alinearlo con el eje de giro.

[0094] [0036]En una forma, el chip anfitrión 210 puede estar compuesto por múltiples grupos de defectos 320 que forman un procesador multicuántico. Se pueden fabricar estructuras ópticas para cada grupo de defectos 320 adecuado, y se puede utilizar luz estructurada para direccionar ópticamente cualquier combinación de uno o más cúbits del procesador multicuántico. Para direccionar procesadores cuánticos individuales con señales de control electromagnéticas 240, los campos electromagnéticos pueden localizarse espacialmente, o las resonancias de giro de los procesadores cuánticos pueden separarse en el espacio de frecuencias y direccionarse mediante campos electromagnéticos que pueden deslocalizarse espacialmente. También es posible una combinación de ambas técnicas.

[0096] En referencia a la figura 8, se muestra un sistema de procesamiento de información cuántica 800 para el direccionamiento óptico de múltiples procesadores cuánticos, proporcionados por un único chip anfitrión 210 con una pluralidad de grupos de defectos 320. En particular, el sistema de procesamiento de información cuántica 800 comprende un conjunto integrado de procesamiento de información cuántica 200 o una disposición de procesamiento de información cuántica 600 con una pluralidad de grupos de defectos 830, un modulador 810, una fuente de luz 865, una fuente de señal de control electromagnética 870, uno o más detectores de fotones 850 y un controlador 860 acoplado operativamente a la fuente de luz 865, la fuente de señal de control electromagnética 870 y uno o más detectores de fotones 850. El controlador 860 está configurado para accionar la fuente de luz 865 y generar uno o más haces de luz de excitación, modulados por el modulador 810, de modo que uno o más haces de luz de excitación, modulados, se transmitan hacia el El conjunto de procesamiento de información cuántica integrado 200 o la disposición de procesamiento de información cuántica 600 abordan individualmente al menos algunos de los grupos de defectos 830. El controlador 860 también está configurado para activar la fuente de señal de control electromagnética 870 para abordar individualmente al menos algunos de los grupos de defectos 830. El controlador 860 también está configurado para recibir una o más señales 890 de los detectores de fotones 850 en respuesta a la luz fluorescente emitida por al menos algunos de los grupos de defectos 830 abordados individualmente.

[0098] El modulador 810 puede ser un modulador espacial de luz o un modulador acústico-óptico. La luz estructurada puede ser reflejada por un elemento óptico 820, un espejo dicroico o un divisor de haz 820, para abordar los diversos procesadores cuánticos, que se proporcionan como múltiples grupos de defectos 830 alojados en el mismo chip anfitrión 210. La fluorescencia de los centros de color 830 se transmite a través del elemento óptico 820 y es detectada por uno o más detectores de fotones 850.

[0100] Se apreciará que al abordar grupos de defectos individuales 830 en diferentes momentos, la recolección de luz fluorescente puede asociarse temporalmente con un grupo de defectos específico 831, por lo que solo se requiere un detector de fotones. Por ejemplo, un primer haz de luz de excitación ingresa al chip anfitrión 210 para abordar un primer grupo de defectos 831, seguido de un segundo haz de luz de excitación que ingresa al chip anfitrión 210 para abordar un segundo grupo de defectos 832. Esto resultará en la emisión de una primera luz fluorescente por el primer grupo de defectos 831, seguida de una segunda luz fluorescente por el segundo grupo de defectos 832. Debido a esta activación temporal de los haces de luz de excitación, se puede usar un detector de fotones para capturar secuencialmente la primera y la segunda luz fluorescente. Si se deben abordar simultáneamente varios grupos de defectos 830, es necesario usar varios detectores de fotones individuales 850.

[0102] Los campos electromagnéticos localizados en procesadores individuales pueden generarse mediante circuitos multisegmento, similares a los desarrollados para la computación cuántica con trampa de iones. Una ventaja de este método es que cualquier número de procesadores cuánticos puede direccionarse con campos localizados espacialmente, mientras que en la práctica (para gradientes magnéticos finitos), la saturación del espacio de frecuencias puede limitar el número de cúbits direccionables individualmente con separación de frecuencias. Como se mencionó anteriormente, el dispositivo generador de campo electromagnético sintonizable 1280 puede utilizarse para sintonizar el campo magnético neto en cada centro de color. Para separar las resonancias de giro de los procesadores cuánticos en el espacio de frecuencias, se pueden aplicar gradientes de campo magnético (por ejemplo, a lo largo de las direcciones X e Y) a lo largo de la matriz de procesadores cuánticos. Esto resulta ventajoso, ya que evita la necesidad de generar campos de microondas y radiofrecuencia localizados espacialmente, lo cual requiere una alta inversión técnica. En una forma de realización del sistema de procesamiento de información cuántica 800, los gradientes de campo magnético pueden generarse utilizando material magnético de espesor variable, como una cuña.

[0104] Se apreciará que utilizando las técnicas de fabricación actuales, la fabricación de chips anfitriones con múltiples procesadores cuánticos de unos pocos qubits es difícil de lograr a escala masiva. En la figura 9 se describe un método de escalado para producir un dispositivo integrado de procesamiento de información cuántica 1000 (véase la figura 10) con múltiples procesadores cuánticos de pocos cúbits (es decir, un procesador de muchos cúbits). En particular, se fabrican varios chips anfitriones 210, cada uno con un único centro de color 320 (o un número reducido de centros de color), mediante grabado 930 en un sustrato anfitrión 910. Los chips anfitriones 210 se pueden fabricar mediante grabado 930 en el sustrato anfitrión 910, de modo que se puedan retirar fácilmente del mismo eliminando el material anfitrión de alrededor de cada chip anfitrión 210, de modo que los chips anfitriones 210 solo estén conectados al sustrato anfitrión principal 910 mediante uno o más puentes anfitrión 920. Los chips anfitriones 210 se pueden caracterizar (es decir, inspeccionar para determinar si existe un grupo de defectos 320) y, utilizando, por ejemplo, un micromanipulador apropiado, los chips anfitriones 210 con un grupo de defectos 320 adecuado pueden separarse del sustrato anfitrión 910 y ensamblarse sobre una estructura base 220.

[0106] [0042]En la figura 10 se muestra una implementación de un dispositivo de procesamiento de información cuántica integrado 1000 que tiene múltiples chips anfitriones, donde la pluralidad de chips anfitriones 210 están montados sobre la estructura de guía 520 del chip base 220. La estructura de guía 520 puede proporcionarse en forma de una estructura matricial. Uno o más aparatos magnéticos 230 están acoplados a la superficie base 512 del chip base 220. El dispositivo integrado de procesamiento de información cuántica 1000 de la figura 10 puede reemplazar el conjunto integrado de procesamiento de información cuántica 200 o el dispositivo integrado de conjunto de procesamiento de información cuántica 600 utilizado en el sistema de procesamiento de información cuántica 800, como se describe en la figura 8. En particular, el controlador 860 está configurado para accionar la fuente de luz 865 y generar uno o más haces de luz de excitación, modulados por el modulador 810, de modo que uno o más haces de luz de excitación, modulados, se transmitan hacia el dispositivo integrado de procesamiento de información cuántica 1000 para abordar individualmente al menos algunos de los grupos de defectos 320 de los chips anfitriones. El controlador 860 también está configurado para activar la fuente de señal de control electromagnético 870 para abordar individualmente al menos algunos de la pluralidad de grupos de defectos 320. El controlador 860 también está configurado para recibir una o más señales 890 de uno o más detectores de fotones 850 en respuesta a la luz fluorescente 250 emitida por al menos algunos de la pluralidad de grupos de defectos 320 que fueron abordados individualmente.

[0108] En referencia a las figuras 11A a 11D, se muestra un esquema del conjunto integrado de procesamiento de información cuántica 200 o la disposición de procesamiento de información cuántica 600, que se proporciona en forma de sensor cuántico 1100. En particular, el dispositivo de procesamiento de información cuántica 205 del conjunto 200 o la disposición 600 comprende además una estructura de muestreo 1110, que forma el sensor cuántico 1100. La estructura de muestreo está configurada para transportar una muestra de interés cerca del grupo de defectos 320. El grupo de defectos 320 puede utilizarse entonces como sensor cuántico 1100 para medir los campos electromagnéticos asociados a la muestra, o para medir los cambios de temperatura o deformación inducidos por la muestra en el material anfitrión. Los cúbits del grupo de defectos 320 mejoran la capacidad de detección del centro de color. Las mejoras proporcionadas por los cúbits incluyen la lectura asistida por cúbits para mejorar la relación señal-ruido y tiempos de interacción coherente mejorados. La detección puede incluir espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) y/o espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica (RPE).

[0110] Para garantizar una distancia mínima entre la muestra de interés y el grupo de defectos 320 (y así maximizar la sensibilidad y la resolución/selectividad espacial), la capa de muestreo 1110 puede colocarse directamente adyacente al chip anfitrión 210. Para minimizar aún más esta distancia, el grupo de defectos 320 puede fabricarse cerca de la misma superficie del chip anfitrión 210, por ejemplo, a una profundidad de aproximadamente 10 nm. El diseño de las estructuras ópticas alrededor del grupo de defectos 320 puede ajustarse para evitar dañarlo, por ejemplo, evitando el fresado del material anfitrión (por ejemplo, diamante) de la superficie cercana al grupo de defectos 320 (por ejemplo, a menos de 100 nm).

[0112] En una forma de realización, la estructura de muestreo 1110 se coloca en o contra la superficie 312 del chip anfitrión 210, como se muestra en las figuras 11A y 11B para una configuración de ensamblaje 200 o disposición 600. El grupo de defectos 320 se fabrica cerca de la superficie 312. Para permitir el acceso óptico al grupo de defectos 320 a través de la estructura de muestreo 1110, esta es al menos parcialmente transparente a la luz de excitación y a la fluorescencia 250 emitida por el centro de color. Esta geometría permite una sustitución sencilla de la estructura de muestreo 1110 y, por lo tanto, un intercambio de muestras o una limpieza sencilla de la misma. Puede ser necesario limitar la intensidad o el ciclo de trabajo de la luz de excitación para evitar dañar la muestra.

[0114] En una configuración alternativa, la estructura de muestreo 1110 se coloca entre el chip anfitrión 210 y el chip base 220, como se muestra en las figuras 11C y 11D para una configuración de ensamblaje o disposición. El grupo de defectos 320 se fabrica próximo a la superficie posterior del chip anfitrión 210, en relación con su superficie frontal. Esta geometría garantiza un acceso óptico sin obstáculos al grupo de defectos 320 y minimiza la exposición de la muestra a la luz de excitación potencialmente dañina. Al colocar la muestra entre la estructura de guía de la señal de control electromagnética 520 del chip base 220 y el grupo de defectos 320, la muestra queda potencialmente expuesta a campos electromagnéticos intensos. Para evitar daños en la muestra, se puede reducir la amplitud y/o el ciclo de trabajo de las señales de control electromagnéticas 240.

[0116] Alternativamente, la estructura de muestreo 1110 puede colocarse en cualquier posición conveniente, a expensas de una mayor separación entre la muestra y el grupo de defectos 320.

[0118] En una forma de realización del sensor cuántico 1100, la estructura de muestreo 1110 puede constar de uno o más canales microfluídicos. Estos canales permiten la detección cuántica de volúmenes ultrapequeños de muestras de gas o líquido (p. ej., subzeptolitros), hasta el nivel de una sola molécula. Para minimizar la distancia entre la muestra de interés y el grupo de defectos 320, los canales microfluídicos minimizan el espesor de la pared de confinamiento entre la muestra y el chip anfitrión 210. Alternativamente, el chip anfitrión 210 puede utilizarse como una de las paredes de confinamiento, de modo que la muestra esté en contacto directo con él. En una forma, la estructura de muestreo 1110 puede fabricarse directamente sobre el chip anfitrión 210 del conjunto de procesamiento de información cuántica 200. En una opción, la estructura de muestreo 1110 podría ser de vidrio, lo cual resulta ventajoso en la fabricación, donde es posible la limpieza con ácido del chip anfitrión y de la estructura de muestreo de vidrio. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que se podrían utilizar otros materiales para la estructura de muestreo.

[0119] En otra forma de realización alternativa, la muestra puede simplemente depositarse en el chip anfitrión 210 del conjunto de procesamiento de información cuántica 200, en donde el conjunto de procesamiento de información cuántica 200 actúa como el sensor cuántico 1100. En esta forma de realización, la muestra podría ser, por ejemplo, una gota de líquido o un sólido.

[0120] En una forma, el conjunto de procesamiento de información cuántica 200 o la disposición 600 del sensor cuántico 1100 puede comprender varios grupos de defectos 320. En particular, uno o más chips anfitriones pueden incluir múltiples grupos de defectos 320, o varios chips anfitriones están montados en el chip base 220, que juntos comprenden los múltiples grupos de defectos 320. En esta disposición, el sensor cuántico 1100 forma una matriz de sensores cuánticos.

[0121] El o los aparatos magnéticos 230 del sensor cuántico 1100 están diseñados para proporcionar suficiente homogeneidad del campo magnético en la muestra. Alternativamente, si el gradiente del campo magnético se conoce bien o se controla mediante el o los dispositivos generadores de campo electromagnético sintonizables 1280, esto representa una ventaja significativa, ya que permite abordar diferentes partes de la muestra.

[0122] En la figura 12 se muestra un ejemplo de un controlador 1200, que se presenta como un sistema de procesamiento. El controlador 1200 consta de un procesador 1210, una memoria 1220 y una interfaz de entrada/salida (E/S) 1230, que se conectan mediante un bus 1240. La memoria 1220 incluye memoria volátil y no volátil. La memoria no volátil puede contener instrucciones ejecutables 1250, ejecutables por el procesador 1210 para realizar los pasos descritos en las figuras 8 y 10. La interfaz de E/S 1230 está conectada preferiblemente a un dispositivo de entrada 1260 para proporcionar instrucciones de entrada y a un dispositivo de salida 1270 para generar resultados. El controlador 1200 está acoplado operativamente a la fuente de luz 865, la fuente de señal de control electromagnético 870, uno o más detectores de fotones 850 y, opcionalmente (como se indica mediante una línea discontinua en la figura 12), el dispositivo generador de campo electromagnético sintonizable 1280 a través de la interfaz de entrada/salida 1230.

[0123] A lo largo de esta especificación y las reivindicaciones que siguen, a menos que el contexto requiera lo contrario, la palabra "comprender", y variaciones tales como "comprende" o "que comprende", se entenderán en el sentido de implicar la inclusión de un entero o paso o grupo de enteros o pasos indicados, pero no la exclusión de cualquier otro entero o paso o grupo de enteros o pasos.

Claims (13)

1. REIVINDICACIONES

1. Un conjunto integrado de procesamiento de información cuántica (200), que comprende un dispositivo integrado de procesamiento de información cuántica (205) que comprende:

uno o más chips anfitriones (210), cada chip anfitrión (210) está hecho de diamante o carburo de silicio, un cuerpo (310) de cada chip anfitrión (210) que tiene una primera superficie (312), una segunda superficie (311) opuesta a la primera superficie (312), un grupo de defectos (320) y una o más estructuras ópticas formadas en el respectivo cuerpo (310) para dirigir la luz de excitación que ha entrado en el chip anfitrión (210) hacia el respectivo grupo de defectos (320) y para dirigir la luz fluorescente emitida por el respectivo grupo de defectos (320) para que salga del respectivo chip anfitrión (210), donde al menos algunas de las una o más estructuras ópticas comprenden una estructura óptica reflectante (330) estampada en la segunda superficie (311), y donde al menos algunas de las una o más estructuras ópticas incluyen una estructura óptica antirreflectante (340) estampada en la primera superficie (312); y

un chip base (220) que tiene un primer lado acoplado a la segunda superficie (311) de cada chip anfitrión (210) de la pluralidad de chips anfitriones (210), un segundo lado, una estructura de guía de señal electromagnética (520) configurada para guiar señales de control electromagnéticas hacia el grupo de defectos (320) de cada chip anfitrión (210), en el que las señales de control electromagnéticas tienen una frecuencia dentro de al menos uno de un rango de microondas o de radiofrecuencia;

en donde

un campo magnético alineado con un eje de giro en un centro de color de cada grupo de defectos (320) permite al menos uno de la inicialización y lectura de estados de giro nuclear del respectivo centro de color del respectivo grupo de defectos (320),

para cada chip anfitrión (210) el respectivo grupo de defectos (320) está ubicado próximo a la respectiva segunda superficie (311) en relación con la primera superficie (312), y

el conjunto de procesamiento de información cuántica (200) comprende además un aparato magnético (230) integrado con el chip base (220) configurado para generar o contribuir al campo magnético en el respectivo centro de color de cada grupo de defectos (320), en el que el aparato magnético (230) comprende un par de imanes (780, 790) que consisten en un primer imán permanente (780) acoplado a un segundo imán permanente (790), en el que los polos opuestos del primer y segundo imán permanente (780, 790) están acoplados entre sí; o el aparato magnético (230) comprende un material de imán permanente que tiene un perfil en forma de cono que comprende una base (750) y un pico (760), estando magnetizado el material de imán permanente a lo largo de un eje (740) del perfil en forma de cono del material de imán permanente;

en donde el aparato magnético (230) comprende además un bloque de material de alta permeabilidad unido a una base del par de imanes (780, 790) o un disco de material de alta permeabilidad unido a la base (750) del cono (710), respectivamente.

2. El conjunto integrado de procesamiento de información cuántica (200) de la reivindicación 1, en el que, para cada chip anfitrión (210), al menos una o más de las estructuras ópticas se fabrican en la segunda superficie (311) y se proporcionan en forma de una superficie reflectante curva configurada para reflejar y enfocar la luz de excitación sobre el respectivo grupo de defectos (320) y para reflejar y enfocar la luz fluorescente que sale del chip anfitrión (210), en el que preferiblemente, la superficie reflectante curva de cada chip anfitrión (210) tiene un revestimiento reflectante.

3. El conjunto integrado de procesamiento de información cuántica (200) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, para cada chip anfitrión (210), la respectiva estructura óptica reflectante (330) en la respectiva segunda superficie (311) del respectivo cuerpo se forma mediante, al menos, una de las modelaciones de un patrón a la respectiva segunda superficie (311) del respectivo cuerpo (310) o aplicar un revestimiento o película reflectante a la respectiva segunda superficie (311).

4. El conjunto integrado de procesamiento de información cuántica (200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, para cada chip anfitrión (210), la respectiva estructura óptica antirreflectante (340) minimiza la reflexión de la luz en la respectiva primera superficie (312), en el que, para cada chip anfitrión (210), la respectiva estructura óptica antirreflectante (340) se forma mediante al menos una de las modelaciones de un patrón a la respectiva primera superficie (312) o la aplicación de un recubrimiento o película a la respectiva primera superficie (312).

5. El conjunto integrado de procesamiento de información cuántica (200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el chip base (220) comprende además uno o más dispositivos generadores de campo magnético sintonizables, configurados para sintonizar el campo magnético en el centro de color respectivo de cada grupo de defectos (320) para alinearlo con el respectivo eje de giro.

6. Un sensor cuántico (1100), que comprende el conjunto de procesamiento de información cuántica (200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una estructura de muestreo (1110) configurada para transportar una muestra de interés cerca del grupo de defectos (320), donde, preferiblemente, la estructura de muestreo (1110) se ubica en la primera o segunda superficie (312, 311) del chip anfitrión (210), donde, preferiblemente, la estructura de muestreo (1110) comprende una disposición microfluídica dispuesta en la primera o segunda superficie (312, 311) del chip anfitrión (210).

7. Un sistema de procesamiento de información cuántica (800), que comprende:

un conjunto de procesamiento de información cuántica integrado (200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una pluralidad de grupos de defectos (830);

un modulador (810);

una fuente de luz (865);

una fuente de señal de control electromagnética (870) configurada para emitir señales de control con una frecuencia dentro del rango de radiofrecuencia o de microondas;

uno o más detectores de fotones (850);

un controlador (860) acoplado operativamente a la fuente de luz (865), la fuente de señal de control electromagnética (870) y el o los detectores de fotones (850), en el que el controlador (860) está configurado para:

activar la fuente de luz (865) para generar uno o más haces de luz de excitación que son modulados por el modulador (810), de modo que uno o más haces de luz de excitación, tal como se modulan, se transmiten para direccionar ópticamente de forma individual al menos algunos de la pluralidad de grupos de defectos 830);

activar la fuente de señal de control electromagnética (870) para direccionar individualmente al menos algunos de la pluralidad de grupos de defectos (830); y

recibir una o más señales del o los detectores de fotones (850) en respuesta a la luz fluorescente emitida por al menos algunos de la pluralidad de grupos de defectos (830) que fueron direccionados individualmente.

8. El sistema de procesamiento de información cuántica (800) de la reivindicación 7, que comprende además un elemento óptico (820) configurado para transmitir uno o más haces de luz de excitación modulados hacia uno o más chips anfitriones (210) y transmitir la luz fluorescente hacia uno o más detectores de fotones (850), donde preferiblemente, el elemento óptico (820) es un espejo dicroico o un divisor de haz, donde, preferiblemente, el modulador es un modulador de luz espacial o un modulador acústico-óptico.

9. Un método de fabricación de un conjunto integrado de procesamiento de información cuántica (200), que comprende:

grabar en un sustrato anfitrión (910) una pluralidad de chips anfitriones (210) hechos de diamante o carburo de silicio;

separar al menos algunos de la pluralidad de chips anfitriones (210) del sustrato anfitrión (910), en el que cada chip anfitrión (210) tiene un cuerpo (310), teniendo el cuerpo (310) una primera superficie (312), una segunda superficie (311) opuesta a la primera superficie (312), y un grupo de defectos (320); y

montar los chips anfitriones extraídos (210) en un chip base (220) que tiene un primer lado acoplado a la segunda superficie (311) del cuerpo (310) de cada chip anfitrión (210), un segundo lado, una estructura de guía de señales electromagnéticas configurada para guiar señales de control electromagnéticas hacia el grupo de defectos (320) de cada chip anfitrión (210), donde

cada chip anfitrión (210) tiene una o más estructuras ópticas formadas en el cuerpo (310) para dirigir la luz de excitación que ha entrado en el respectivo chip anfitrión (210) hacia el grupo de defectos (320) y para dirigir la luz fluorescente emitida por el grupo de defectos (320) para que salga del respectivo chip anfitrión (210), donde al menos algunas de las una o más estructuras ópticas comprenden una estructura óptica reflectante (330) estampada en la segunda superficie (311), y donde al menos algunas de las una o más estructuras ópticas incluyen una estructura óptica antirreflectante (340) estampada en la primera superficie (312),

para cada chip anfitrión (210) el respectivo grupo de defectos (320) está ubicado próximo a la respectiva segunda superficie (311) en relación con la primera superficie (312), en el que un campo magnético alineado con un eje de giro en un centro de color de cada grupo de defectos (320) permite al menos uno de la inicialización y lectura de estados de giro nuclear del respectivo centro de color del respectivo grupo de defectos (320), y el método comprende además integrar un aparato magnético (230) con el chip base (220) configurado para generar o contribuir al campo magnético en el respectivo centro de color de cada grupo de defectos (320), en el que el aparato magnético (230) comprende un par de imanes (780, 790) que consisten en un primer imán permanente (780) acoplado a un segundo imán permanente (790), en el que los polos opuestos del primer y segundo imán permanente (780, 790) están acoplados entre sí; o el aparato magnético (230) comprende un material de imán permanente con un perfil cónico que comprende una base (750) y un pico (760), magnetizado a lo largo del eje (740) del perfil cónico del material de imán permanente;

en donde el aparato magnético (230) comprende además un bloque de material de alta permeabilidad fijado a la base del par de imanes (780, 790) o un disco de material de alta permeabilidad fijado a la base (750) del cono (710), respectivamente.

10. El método de la reivindicación 9, en el que el método comprende la identificación de una pluralidad de ubicaciones en el sustrato (910) de la pluralidad respectiva de grupos de defectos (320) antes del grabado de los chips anfitriones (210), en el que los chips anfitriones (210) se graban en el sustrato (910) basándose en la identificación de la pluralidad de ubicaciones de la pluralidad respectiva de grupos de defectos (320).

11. El método de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 10, en el que al menos algunos de los chips anfitriones (210) se conectan al sustrato anfitrión (910) mediante puentes tras el grabado, donde al menos algunos de los chips anfitriones (210) se desprenden del sustrato anfitrión (910) en dichos puentes.

12. El método de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que el método incluye la fabricación, en la segunda superficie (311) del cuerpo (310) de al menos algunos de los chips anfitriones (210), de al menos una o más estructuras ópticas en forma de una superficie reflectante curva configurada para reflejar y enfocar la luz de excitación sobre el respectivo grupo de defectos (320) y para reflejar y enfocar la luz fluorescente que sale del respectivo chip anfitrión (210), en el que, preferiblemente, el método comprende la aplicación de un recubrimiento o película reflectante a cada superficie reflectante curva.

13. El método de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en el que, para cada chip anfitrión (210) de al menos algunos de los chips anfitriones (210), el método comprende además fabricar la estructura óptica antirreflectante (340) en la respectiva primera superficie (312) del respectivo cuerpo (310) para minimizar la reflexión de la luz en la primera superficie (312) del cuerpo (310), en donde el método incluye además la aplicación de un patrón a la primera superficie del cuerpo (310) del chip anfitrión (210) y/o la aplicación de un recubrimiento o película a la primera superficie (312) del cuerpo (310) del chip anfitrión (210).