Lead-vacancy centre i diamant som byggesten til storskala kvantenetværk

Ligesom hvordan elektriske kredsløb bruger komponenter til at styre elektroniske signaler, er kvantenetværk afhængige af specielle komponenter og noder til at overføre kvanteinformation mellem forskellige punkter, hvilket danner grundlaget for at bygge kvantesystemer.

I tilfælde af kvantenetværk er farvecentre i diamant, som er defekter, der bevidst tilføjes til en diamantkrystal, afgørende for at generere og opretholde stabile kvantetilstande over lange afstande.

Når de stimuleres af eksternt lys, udsender disse farvecentre i diamant fotoner, der bærer information om deres indre elektroniske tilstande, især spin-tilstande. Interaktionen mellem de udsendte fotoner og spin-tilstandene i farvecentrene gør det muligt at overføre kvanteinformation mellem forskellige noder i kvantenetværk.

Et velkendt eksempel på farvecentre i diamant er nitrogen-vacancy-centret (NV), hvor et nitrogenatom tilsættes ved siden af ​​manglende kulstofatomer i diamantgitteret. Imidlertid har de fotoner, der udsendes fra NV-farvecentre, ikke veldefinerede frekvenser og påvirkes af interaktioner med det omgivende miljø, hvilket gør det udfordrende at opretholde et stabilt kvantesystem.

For at imødegå dette har en international gruppe forskere, herunder lektor Takayuki Iwasaki fra Tokyo Institute of Technology, udviklet et enkelt negativt ladet bly-vacancy-center (PbV) i diamant, hvor et blyatom indsættes mellem tilstødende ledige stillinger i en diamantkrystal .

I undersøgelsen offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters den 15. februar 2024 afslører forskerne, at PbV-centret udsender fotoner med specifikke frekvenser, som ikke er påvirket af krystallens vibrationsenergi. Disse egenskaber gør fotonerne til pålidelige bærere af kvanteinformation til kvantenetværk i stor skala.

For stabile og sammenhængende kvantetilstande skal den udsendte foton være transformationsbegrænset, hvilket betyder, at den skal have mindst mulig spredning i sin frekvens. Derudover bør den have emission til nul-fonon-linje (ZPL), hvilket betyder, at energien forbundet med emissionen af ​​fotoner kun bruges til at ændre den elektroniske konfiguration af kvantesystemet og ikke udveksles med vibrationsgittertilstandene (fononer) i krystalgitteret.

For at fremstille PbV-centret introducerede forskerne blyioner under diamantoverfladen gennem ionimplantation. En udglødningsproces blev derefter udført for at reparere eventuelle skader forårsaget af blyionimplantationen. Det resulterende PbV-center udviser et spin 1/2-system med fire forskellige energitilstande med jorden og den exciterede tilstand opdelt i to energiniveauer.

Ved fotoexcitering af PbV-centret producerede elektronovergange mellem energiniveauerne fire forskellige ZPL'er, klassificeret af forskerne som A, B, C og D baseret på den faldende energi af de tilhørende overgange. Blandt disse blev C-overgangen fundet at have en transformationsbegrænset linjebredde på 36 MHz.

"Vi undersøgte de optiske egenskaber af enkelte PbV-centre under resonant excitation og viste, at C-overgangen, en af ​​ZPL'erne, når næsten transformationsgrænsen ved 6,2 K uden fremtrædende fonon-induceret afslapning og spektral diffusion," siger Dr. Iwasaki .

PbV-centret skiller sig ud ved at være i stand til at opretholde sin linjebredde på ca. 1,2 gange transformationsgrænsen ved temperaturer så høje som 16 K. Dette er vigtigt for at opnå omkring 80 % synlighed i to-foton-interferens. I modsætning hertil skal farvecentre som SiV, GeV og SnV afkøles til meget lavere temperaturer (4 K til 6 K) under lignende forhold.

Ved at generere veldefinerede fotoner ved relativt høje temperaturer sammenlignet med andre farvecentre, kan PbV-centret fungere som en effektiv kvantelys-stof-grænseflade, som gør det muligt at transportere kvanteinformation over lange afstande af fotoner via optiske fibre.

"Disse resultater kan bane vejen for, at PbV-centret bliver en byggesten til at konstruere kvantenetværk i stor skala," konkluderer Dr. Iwasaki.

Flere oplysninger: Peng Wang et al., Transform-Limited Photon Emission fra et Lead-Vacancy Center i Diamond over 10 K, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.073601. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.00995

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

Leveret af Tokyo Institute of Technology