_ Lead-vacancy centers în diamant ca blocuri de construcție pentru rețelele cuantice la scară largă

La fel cum circuitele electrice folosesc componente pentru a controla semnalele electronice, rețelele cuantice se bazează pe componente și noduri speciale pentru a transfera informații cuantice între diferite puncte, formând baza pentru construirea sistemelor cuantice.

În cazul rețelelor cuantice, centrele de culoare din diamant, care sunt defecte adăugate în mod intenționat unui cristal de diamant, sunt cruciale pentru generarea și menținerea stărilor cuantice stabile pe distanțe lungi.

Atunci când sunt stimulați de lumina externă, acești centri de culoare din diamant emit fotoni care transportă informații despre stările lor electronice interne, în special despre stările de spin. Interacțiunea dintre fotonii emiși și stările de spin ale centrelor de culoare permite transferul informațiilor cuantice între diferite noduri din rețelele cuantice.

Un exemplu binecunoscut de centre de culoare în diamant este vacanța de azot ( NV), unde se adaugă un atom de azot în apropierea atomilor de carbon lipsă din rețeaua de diamant. Cu toate acestea, fotonii emiși din centrele de culoare NV nu au frecvențe bine definite și sunt afectați de interacțiunile cu mediul înconjurător, ceea ce face dificilă menținerea unui sistem cuantic stabil.

Pentru a aborda acest lucru, un grup internațional dintre cercetători, inclusiv profesorul asociat Takayuki Iwasaki de la Institutul de Tehnologie din Tokyo, a dezvoltat un singur centru de plumb-vacant (PbV) cu încărcare negativă în diamant, în care un atom de plumb este inserat între locurile libere învecinate într-un cristal de diamant.

În studiul publicat în revista Physical Review Letters pe 15 februarie 2024, cercetătorii dezvăluie că centrul PbV emite fotoni cu frecvențe specifice care nu sunt influențate de energia vibrațională a cristalului. Aceste caracteristici fac fotonii purtători de încredere de informații cuantice pentru rețelele cuantice la scară largă.

Pentru stări cuantice stabile și coerente, fotonul emis trebuie să fie limitat de transformare, ceea ce înseamnă că ar trebui să aibă o răspândire minimă posibilă. în frecvenţa sa. În plus, ar trebui să aibă emisie în zero-phonon-line (ZPL), ceea ce înseamnă că energia asociată cu emisia de fotoni este folosită doar pentru a schimba configurația electronică a sistemului cuantic și nu este schimbată cu modurile rețelei vibraționale (fononi). în rețeaua cristalină.

Pentru a fabrica centrul PbV, cercetătorii au introdus ioni de plumb sub suprafața diamantului prin implantare ionică. Apoi a fost efectuat un proces de recoacere pentru a repara orice daune cauzate de implantarea ionilor de plumb. Centrul PbV rezultat prezintă un sistem de spin 1/2, cu patru stări distincte de energie, cu solul și starea excitată împărțită în două niveluri de energie.

La fotoexcitarea centrului PbV, tranzițiile electronilor între nivelurile de energie produse. patru ZPL distincte, clasificate de cercetători ca A, B, C și D pe baza energiei descrescătoare a tranzițiilor asociate. Printre acestea, s-a descoperit că tranziția C are o lățime de linie limitată de transformare de 36 MHz.

„Am investigat proprietățile optice ale centrelor PbV singulari sub excitație rezonantă și am demonstrat că tranziția C, una dintre ZPL, atinge limita de transformare la 6,2 K fără relaxare proeminentă indusă de fononi și difuzie spectrală”, spune dr. Iwasaki.

Centrul PbV se remarcă prin faptul că își poate menține lățimea liniei de aproximativ 1,2 ori. limita de transformare la temperaturi de până la 16 K. Acest lucru este important pentru a obține o vizibilitate de aproximativ 80% în interferența cu doi fotoni. În schimb, centrele de culoare precum SiV, GeV și SnV trebuie răcite la temperaturi mult mai scăzute (4 K până la 6 K) pentru condiții similare.

Generând fotoni bine definiți la temperaturi relativ ridicate în comparație cu alte centre de culoare, centrul PbV poate funcționa ca o interfață eficientă cuantică lumină-materie, care permite ca informațiile cuantice să fie transportate pe distanțe lungi de fotoni prin intermediul opticii. fibre.

„Aceste rezultate pot deschide calea pentru ca centrul PbV să devină un element de construcție pentru a construi rețele cuantice la scară largă”, conchide dr. Iwasaki.

(Fluierul)