Ungefär som hur elektriska kretsar använder komponenter för att styra elektroniska signaler, är kvantnätverk beroende av speciella komponenter och noder för att överföra kvantinformation mellan olika punkter, vilket utgör grunden för att bygga kvantsystem.
När det gäller kvantnätverk är färgcentra i diamant, som är defekter som avsiktligt läggs till en diamantkristall, avgörande för att generera och bibehålla stabila kvanttillstånd över långa avstånd.
När de stimuleras av externt ljus sänder dessa färgcentra i diamant ut fotoner som bär information om deras interna elektroniska tillstånd, särskilt spinntillstånden. Interaktionen mellan de emitterade fotonerna och spinntillstånden i färgcentrumen gör att kvantinformation kan överföras mellan olika noder i kvantnätverk.
Ett välkänt exempel på färgcentra i diamant är kvävevakanscentrum (NV), där en kväveatom tillsätts intill saknade kolatomer i diamantgittret. De fotoner som emitteras från NV-färgcentra har dock inte väldefinierade frekvenser och påverkas av interaktioner med den omgivande miljön, vilket gör det utmanande att upprätthålla ett stabilt kvantsystem.
För att ta itu med detta har en internationell grupp forskare, inklusive docent Takayuki Iwasaki från Tokyo Institute of Technology, utvecklat ett enda negativt laddat blyvakanscenter (PbV) i diamant, där en blyatom infogas mellan närliggande vakanser i en diamantkristall. .
I studien publicerad i tidskriften Physical Review Letters den 15 februari 2024 avslöjar forskarna att PbV-centret sänder ut fotoner med specifika frekvenser som inte påverkas av kristallens vibrationsenergi. Dessa egenskaper gör fotonerna till pålitliga bärare av kvantinformation för storskaliga kvantnätverk.
För stabila och koherenta kvanttillstånd måste den emitterade fotonen vara transformbegränsad, vilket innebär att den ska ha minsta möjliga spridning i sin frekvens. Dessutom bör den ha emission till noll-fonon-linje (ZPL), vilket innebär att energin som är associerad med emissionen av fotoner endast används för att ändra den elektroniska konfigurationen av kvantsystemet, och inte utbyts med vibrationsgitterlägena (fononer) i kristallgittret.
För att tillverka PbV-centret introducerade forskarna blyjoner under diamantytan genom jonimplantation. En glödgningsprocess genomfördes sedan för att reparera eventuella skador orsakade av blyjonimplantationen. Det resulterande PbV-centret uppvisar ett spin 1/2-system, med fyra distinkta energitillstånd med marken och det exciterade tillståndet uppdelat i två energinivåer.
Vid fotoexcitering av PbV-centret producerade elektronövergångar mellan energinivåerna fyra distinkta ZPLs, klassificerade av forskarna som A, B, C och D baserat på den minskande energin hos de associerade övergångarna. Bland dessa visade sig C-övergången ha en transformationsbegränsad linjebredd på 36 MHz.
"Vi undersökte de optiska egenskaperna hos enstaka PbV-centra under resonansexcitation och visade att C-övergången, en av ZPL:erna, når nästan transformationsgränsen vid 6,2 K utan framträdande fononinducerad relaxation och spektral diffusion", säger Dr Iwasaki .
PbV-centret utmärker sig genom att kunna bibehålla sin linjebredd vid ungefär 1,2 gånger transformationsgränsen vid temperaturer så höga som 16 K. Detta är viktigt för att uppnå cirka 80 % synlighet vid tvåfotoninterferens. Däremot måste färgcentra som SiV, GeV och SnV kylas till mycket lägre temperaturer (4 K till 6 K) för liknande förhållanden.
Genom att generera väldefinierade fotoner vid relativt höga temperaturer jämfört med andra färgcentra, kan PbV-centret fungera som ett effektivt kvantljus-materia-gränssnitt, vilket gör att kvantinformation kan transporteras långa sträckor av fotoner via optiska fibrer.
"Dessa resultat kan bana väg för PbV-centret att bli en byggsten för att konstruera storskaliga kvantnätverk", avslutar Dr. Iwasaki.
Mer information: Peng Wang et al, Transform-Limited Photon Emission from a Lead-Vacancy Center in Diamond över 10 K, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.073601. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.00995
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology
