Diamantens färgcentra är i fokus för ett ökande antal forskningsstudier, på grund av deras potential för att utveckla kvantteknologier. Vissa verk har särskilt utforskat användningen av negativt laddade grupp-IV diamantdefekter, som uppvisar ett effektivt spin-foton-gränssnitt, som noder i kvantnätverk.
Forskare vid Ulm University i Tyskland utnyttjade nyligen ett Germanium vakanscenter (GeV) inom diamant för att realisera ett kvantminne. Det resulterande kvantminnet, presenterat i ett Physical Review Letters papper, visade sig uppvisa en lovande koherenstid på mer än 20 ms.
"Vår forskargrupps primära fokus är utforskningen av diamantfärgcentra för kvanttillämpningar," sa Katharina Senkalla, medförfattare till tidningen, till Phys.org. "Den mest populära defekten hos diamant hittills har varit kvävevakanscentret, men nyligen har även andra färgcentra blivit ett fokus för forskning. Dessa består av ett element från IV-kolumnen i det periodiska systemet - Si, Ge, Sn eller Pb och en vakans gitter (dvs. kolatomen i nästa granne saknas)."
Grupp-IV-färgcentra har visat sig uppvisa mycket starkare emissioner i noll-fonon-linjen än tidigare använda kvävevakanscentra. Dessutom gör dessa centras inversionssymmetri dem väl lämpade för integration i nanofotoniska enheter – ett viktigt steg för ett effektivt skalbart kvantnätverk baserat på solid-state enfotonkällor.
"Vårt mål är att ge betydande bidrag till utvecklingen av kvantnätverk som underlättar långdistanskvantkommunikation och distribuerad kvantberäkning," sa Senkalla. "Inom kvantnätverksområdet är en avgörande aspekt kvantnätverksnoden, som kräver ett effektivt spin-foton-gränssnitt och utökade minnestider."
Forskargruppen vid Ulm University har undersökt potentialen för grupp IV-defekter som kandidater för kvantnätverksnoder under en tid nu, med fokus nyligen på GeV-centret. Dessa speciella defekter har en inneboende effektivitet i spin-foton-gränssnittet, som kännetecknas av ett mycket koherent flöde av fotoner.
Ett sådant sammanhängande flöde av fotoner är ett avgörande element för att möjliggöra effektiv kvantkommunikation över långa avstånd. Att realisera kvantsystem som använder grupp IV diamantdefekter innebär dock att man övervinner olika utmaningar.
"Dessa defekter stöter på hinder relaterade till förlängda minnestider på grund av fononmedierad avslappning, vilket påverkar koherens och minnestid", förklarade Senkalla. "Vårt senaste arbete är fokuserat på att ta itu med denna avgörande utmaning och driva utvecklingen av robusta kvantnätverksnoder framåt. Genom våra ansträngningar strävar vi efter att övervinna dessa hinder och bidra väsentligt till utvecklingen av kvantteknik."
Systemet utvecklat av Senkalla och hennes kollegor använder en GeV som kvantminneselement. För att övervinna de utmaningar som vanligtvis förknippas med utvecklingsgrupp IV defektbaserade kvantsystem, använde forskarna en tvåfaldig strategi.
Den första delen av denna strategi syftar till att mildra fononernas negativa inverkan på kvantinformation. Faktum är att grupp IV-defekter lätt kan kopplas till fononer, vilket kan förstöra kvantinformation.
"För att övervinna den här utmaningen använde vi ett Dilution Refrigerator (DR), en sofistikerad enhet som ofta används för sofistikerade kvantberäkningsexperiment, t.ex. i IBM:s kvantberäkningsexperiment. Den kan förbereda temperaturer inom ett fåtal hundra millikelvinintervall," sa Senkalla.
"Den andra delen av vårt tillvägagångssätt, å andra sidan, tar itu med frikopplingen från spinnbrus och optimering av informationslagring. Att arbeta vid ett så lågt temperaturområde avslöjade spinnbrus som den primära faktorn för dekoherens. För att förlänga minnestider och skydda kvantinformation , implementerade vi noggrann snurrfokusering med mikrovågspulser och vid strategiskt valda tidsintervall där beräkningsoperationer kan utföras."
En ytterligare aspekt som Senkalla och hennes kollegor var tvungna att tänka på när de utvecklade sitt kvantminne var hanteringen av värmebelastningen som infördes med varje kontrollpuls. Faktum är att utspädningskylskåp har en begränsad kylkapacitet och överskridande av denna begränsade kapacitet kan höja temperaturen och därmed underlätta genereringen av fononer, vilket i sin tur kan leda till dekoherens.
"Att utveckla en optimerad pulssekvens involverade att använda Ornstein-Uhlenbeck-processen, en brusmodelleringsteknik som fångar systemets dynamik," sa Senkalla.
"Ornstein-Uhlenbeck-simuleringarna gav viktiga insikter i brusdynamik, vilket gjorde det möjligt att hitta sekvenser som fint balanserade spinnomfokusering, beräkningsintervall och hantering av experimentell värmebelastning."
Forskarna testade sitt föreslagna kvantminne i både experiment och simuleringar. Noterbart var att resultaten de uppnådde i simuleringar var nära anpassade till experimentdata.
"Vårt är den första framgångsrika demonstrationen av effektiv spinnkontroll för germaniumvakansen (GeV) vid millikelvintemperaturer," sa Senkalla. "Den omfattande metodiken vi introducerade, med relevans bortom GeV, har potential för att förbättra kvantminnesprestanda över olika experimentella förhållanden och andra grupp IV-defekter."
Designen som ligger till grund för forskarnas föreslagna kvantminne är relativt enkel och kan replikeras med andra grupp IV-defekter utöver GeVs. Denna design visade sig slutligen förlänga koherenstiderna för GeV-baserade minnen med en faktor på upp till 45, och nå en rekordkoherenstid på 20 millisekunder.
De anmärkningsvärda fynden som presenteras i artikeln belyser potentialen hos GeV-defekter för att utveckla kvantnätbaserade system. I framtiden kan detta arbete inspirera till ökad användning av grupp IV-defekter för kvantkommunikationstillämpningar.
"Vår studie sträcker sig bortom labbet och erbjuder värdefulla insikter i de praktiska tillämpningarna av GeV och andra grupp-IV-defekter i kvantteknologier," sa Senkalla.
"Våra Ornstein-Uhlenbeck-simuleringar banar väg för optimerade kontrollsystem för GeV och liknande defekter under olika experimentella förhållanden. Den potentiella påverkan sträcker sig till industrier som Amazon Web Services (AWS), som utforskar kvantnätverk baserade på grupp IV-defekter som SiV."
Den senaste studien av Senkalla och hennes kollegor skulle så småningom kunna bidra till utvecklingen av kvantkommunikationssystem, såväl som olika industrier som kan dra nytta av högpresterande kvantteknologier. Samtidigt planerar forskarna att fortsätta att utforska potentialen för GeV-diamantdefekter som kvantnätverksnoder.
"För att expandera på vår utforskning av GeV och dess potential som en kvantnätverksnod, införlivar vi aktivt GeV i ett verkligt kvantnätverk," sa Senkalla.
"Vårt team i Ulm håller på att konstruera experimentella uppställningar för att fungera som ytterligare noder i detta kvantnätverk, i linje med vår vision om att Ulm ska bli demonstrationsplatsen för ett kvantnätverk centrerat på grupp IV-defekter i Tyskland."
I sina kommande studier planerar forskarna att införliva GeVs i nanofotoniska håligheter, samtidigt som de tar upp omgivande kärnspinn. Dessa två steg är båda avgörande för uppskalningen av kvantnätverk.
"Det första av dessa steg förbättrar vår fotonhastighet och därmed intrasslingshastigheten och det senare möjliggör implementering av kvantfelskorrigeringsprotokoll, ett viktigt steg mot att uppnå feltolerant kvantberäkning," tillade Senkalla.
"Vi är på en spännande resa och ser fram emot att driva vår forskning vidare."
Mer information: Katharina Senkalla et al, Germanium ledig plats i diamantkvantminne som överstiger 20 ms, Fysiska granskningsbrev (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.026901. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.09666
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
© 2024 Science X Network
