[ad_1]
Podobnie jak obwody elektryczne wykorzystują komponenty do sterowania sygnałami elektronicznymi, sieci kwantowe opierają się na specjalnych komponentach i węzłach do przesyłania informacji kwantowych między różnymi punktami, tworząc podstawę do budowy systemów kwantowych. W przypadku sieci kwantowych, centra kolorów w diamencie, które są defektami celowo dodanymi do kryształu diamentu, mają kluczowe znaczenie dla generowania i utrzymywania stabilnych stanów kwantowych na duże odległości.
Stymulowane światłem zewnętrznym centra kolorów w diamencie emitują fotony niosące informacje o ich wewnętrznych stanach elektronicznych, zwłaszcza stanach spinowych. Interakcja między emitowanymi fotonami a stanami spinowymi centrów kolorów umożliwia przesyłanie informacji kwantowych między różnymi węzłami w sieciach kwantowych.
Dobrze znanym przykładem centrów koloru w diamencie jest centrum pustki azotowej (NV), w którym atom azotu jest dodawany w sąsiedztwie brakujących atomów węgla w sieci diamentowej. Jednak fotony emitowane z centrów kolorów NV nie mają dobrze zdefiniowanych częstotliwości i są pod wpływem interakcji z otaczającym środowiskiem, co utrudnia utrzymanie stabilnego systemu kwantowego.
Aby temu zaradzić, międzynarodowa grupa naukowców, w tym profesor nadzwyczajny Takayuki Iwasaki z Tokyo Institute of Technology, opracowała pojedyncze ujemnie naładowane centrum wakancji ołowiu (PbV) w diamencie, w którym atom ołowiu jest umieszczony między sąsiednimi wakancjami w krysztale diamentu. W badaniu opublikowanym w czasopiśmie Physical Review Letters 15 lutego 2024 r. naukowcy ujawnili, że centrum PbV emituje fotony o określonych częstotliwościach, na które nie ma wpływu energia wibracyjna kryształu. Te cechy sprawiają, że fotony są niezawodnymi nośnikami informacji kwantowych dla wielkoskalowych sieci kwantowych.
Aby uzyskać stabilne i spójne stany kwantowe, emitowany foton musi być ograniczony transformacją, co oznacza, że powinien mieć minimalny możliwy rozrzut częstotliwości. Dodatkowo, powinien mieć emisję w zerowej linii fononowej (ZPL), co oznacza, że energia związana z emisją fotonów jest wykorzystywana wyłącznie do zmiany konfiguracji elektronicznej układu kwantowego, a nie wymieniana z wibracyjnymi modami sieci (fononami) w sieci krystalicznej.
Aby wytworzyć centrum PbV, naukowcy wprowadzili jony ołowiu pod powierzchnię diamentu poprzez implantację jonów. Następnie przeprowadzono proces wyżarzania w celu naprawy wszelkich uszkodzeń spowodowanych implantacją jonów ołowiu. Powstałe centrum PbV wykazuje układ spin 1/2, z czterema odrębnymi stanami energetycznymi ze stanem podstawowym i stanem wzbudzonym podzielonym na dwa poziomy energetyczne. Podczas fotoekscytacji centrum PbV, przejścia elektronowe między poziomami energetycznymi wytworzyły cztery różne ZPL, sklasyfikowane przez naukowców jako A, B, C i D w oparciu o malejącą energię powiązanych przejść. Wśród nich stwierdzono, że przejście C ma ograniczoną transformacją szerokość linii wynoszącą 36 MHz.
„Zbadaliśmy właściwości optyczne pojedynczych centrów PbV pod wzbudzeniem rezonansowym i wykazaliśmy, że przejście C, jedno z ZPL, osiąga prawie granicę transformacji w temperaturze 6,2 K bez wyraźnej relaksacji wywołanej fononami i dyfuzji widmowej” – mówi dr Iwasaki.
Centrum PbV wyróżnia się tym, że jest w stanie utrzymać szerokość linii na poziomie około 1,2 razy większym niż granica transformacji w temperaturach tak wysokich jak 16 K. Jest to ważne, aby osiągnąć około 80% widoczności w interferencji dwufotonowej. W przeciwieństwie do tego, centra kolorów takie jak SiV, GeV i SnV muszą być chłodzone do znacznie niższych temperatur (od 4 K do 6 K), aby uzyskać podobne warunki. Generując dobrze zdefiniowane fotony w stosunkowo wysokich temperaturach w porównaniu do innych centrów kolorów, centrum PbV może funkcjonować jako wydajny kwantowy interfejs światło-materia, który umożliwia przenoszenie informacji kwantowych na duże odległości za pomocą fotonów za pośrednictwem światłowodów.
„Wyniki te mogą utorować drogę do tego, aby centrum PbV stało się budulcem do konstruowania sieci kwantowych na dużą skalę” – podsumowuje dr Iwasaki.
[ad_2]