Diamant kvantehukommelse med Germanium ledighed overstiger kohærenstiden på 20 ms

Diamantens farvecentre er i fokus for et stigende antal forskningsstudier på grund af deres potentiale for udvikling af kvanteteknologier. Nogle værker har især udforsket brugen af ​​negativt ladede gruppe-IV diamantdefekter, som udviser en effektiv spin-foton-grænseflade, som knudepunkter i kvantenetværk.

Forskere ved Ulm University i Tyskland har for nylig udnyttet et Germanium ledigt (GeV) center i diamant til at realisere en kvantehukommelse. Den resulterende kvantehukommelse, præsenteret i et Physical Review Letters papir, viste sig at udvise en lovende sammenhængstid på mere end 20 ms.

"Vores forskningsgruppes primære fokus er udforskningen af ​​diamantfarvecentre til kvanteanvendelser," sagde Katharina Senkalla, medforfatter af papiret, til Phys.org. "Den hidtil mest populære defekt af diamant har været kvælstof-fritidscenteret, men for nylig er andre farvecentre også blevet et fokus for forskning. Disse består af et element fra IV-søjlen i det periodiske system - Si, Ge, Sn eller Pb, og et gitter ledigt (dvs. manglende næste-nabo-carbonatom)."

Gruppe-IV farvecentre har vist sig at udvise langt stærkere emissioner i nul-fonon-linjen end tidligere anvendte nitrogen-fritidscentre. Derudover gør disse centres inversionssymmetri dem velegnede til integration i nanofotoniske enheder – et vigtigt skridt for et effektivt skalerbart kvantenetværk baseret på solid-state, enkeltfotonkilder.

"Vores mål er at yde væsentlige bidrag til udviklingen af ​​kvantenetværk, der letter langdistance kvantekommunikation og distribueret kvantecomputer," sagde Senkalla. "I området for kvantenetværk er et afgørende aspekt kvantenetværksknuden, som kræver en effektiv spin-foton-grænseflade og udvidede hukommelsestider."

Forskergruppen ved Ulm University har i nogen tid udforsket potentialet for gruppe IV-defekter som kandidater til kvantenetværksknuder, for nylig med fokus på GeV-centret. Disse særlige defekter har en iboende effektivitet i spin-foton-grænsefladen, som er karakteriseret ved en meget kohærent flux af fotoner.

En sådan sammenhængende flux af fotoner er et afgørende element for at muliggøre effektiv kvantekommunikation over lange afstande. Ikke desto mindre indebærer realisering af kvantesystemer ved hjælp af gruppe IV diamantdefekter at overvinde forskellige udfordringer.

"Disse defekter støder på forhindringer relateret til forlængede hukommelsestider på grund af fononmedieret afslapning, hvilket påvirker sammenhæng og hukommelsestid," forklarede Senkalla. "Vores seneste arbejde er fokuseret på at adressere denne afgørende udfordring og drive udviklingen af ​​robuste kvantenetværksknuder fremad. Gennem vores bestræbelser stræber vi efter at overvinde disse forhindringer og bidrage væsentligt til fremskridtet af kvanteteknologier."

Systemet udviklet af Senkalla og hendes kolleger bruger en GeV som kvantehukommelseselementet. For at overvinde de udfordringer, der almindeligvis er forbundet med udviklingsgruppe IV-defektbaserede kvantesystemer, anvendte forskerne en todelt strategi.

Den første del af denne strategi er rettet mod at afbøde fononernes negative indvirkning på kvanteinformation. Faktisk kan gruppe IV-defekter nemt kobles med fononer, som kan ødelægge kvanteinformation.

"For at overvinde denne udfordring brugte vi et Dilution Refrigerator (DR), en sofistikeret enhed, der er udbredt i brug til sofistikerede kvanteberegningseksperimenter, f.eks. i IBM's kvanteberegningseksperimenter. Den kan forberede temperaturer i et par hundrede millikelvin-område," sagde Senkalla.

"Den anden del af vores tilgang tackler på den anden side afkoblingen fra spinstøj og optimering af informationslagring. At arbejde ved et så lavt temperaturområde afslørede spinstøj som den primære faktor i dekohærens. For at forlænge hukommelsestider og skærme kvanteinformation , implementerede vi omhyggelig spin-refokusering med mikrobølgeimpulser og med strategisk valgte tidsintervaller, hvor beregningsoperationer kan udføres."

Et yderligere aspekt, som Senkalla og hendes kolleger var nødt til at overveje, når de udviklede deres kvantehukommelse, var styringen af ​​den varmebelastning, der blev indført med hver kontrolimpuls. Faktisk har fortyndingskøleskabe en begrænset kølekapacitet, og overskridelse af denne begrænsede kapacitet kan hæve temperaturen og dermed lette genereringen af ​​fononer, hvilket igen kan føre til dekohærens.

"At udvikle en optimeret pulssekvens involverede anvendelse af Ornstein-Uhlenbeck-processen, en støjmodelleringsteknik, der fanger systemets dynamik," sagde Senkalla.

"Ornstein-Uhlenbeck-simuleringerne gav vigtig indsigt i støjdynamik, hvilket gjorde det muligt at finde sekvenser, der nænsomt afbalancerede spin-refokusering, beregningsintervaller og styring af eksperimentel varmebelastning."

Forskerne testede deres foreslåede kvantehukommelse i både eksperimenter og simuleringer. Navnlig var de resultater, de opnåede i simuleringer, tæt på linje med de eksperimentelle data.

"Vores er den første vellykkede demonstration af effektiv spin-kontrol for germanium ledighed (GeV) ved millikelvin temperaturer," sagde Senkalla. "Den omfattende metodologi, vi introducerede, med relevans ud over GeV, rummer potentiale til at fremme kvantehukommelsens ydeevne på tværs af forskellige eksperimentelle forhold og andre gruppe IV-defekter."

Designet, der understøtter forskernes foreslåede kvantehukommelse, er relativt simpelt og kunne replikeres ved hjælp af andre gruppe IV-defekter ud over GeV'er. Dette design viste sig i sidste ende at forlænge kohærenstiden for GeV-baserede hukommelser med en faktor på op til 45 og nå en rekordkohærenstid på 20 millisekunder.

De bemærkelsesværdige resultater præsenteret i papiret fremhæver potentialet ved GeV-defekter til udvikling af kvantenetværksbaserede systemer. I fremtiden kan dette arbejde inspirere til større brug af gruppe IV-defekter til kvantekommunikationsapplikationer.

"Vores undersøgelse strækker sig ud over laboratoriet og tilbyder værdifuld indsigt i de praktiske anvendelser af GeV og andre gruppe-IV-defekter i kvanteteknologier," sagde Senkalla.

"Vores Ornstein-Uhlenbeck-simuleringer baner vejen for optimerede kontrolsystemer for GeV og lignende defekter under forskellige eksperimentelle forhold. Den potentielle påvirkning strækker sig til industrier som Amazon Web Services (AWS), der udforsker kvantenetværk baseret på gruppe IV-defekter som SiV."

Den nylige undersøgelse foretaget af Senkalla og hendes kolleger kan i sidste ende bidrage til fremme af kvantekommunikationssystemer såvel som forskellige industrier, der kan drage fordel af højtydende kvanteteknologier. I mellemtiden planlægger forskerne at fortsætte med at udforske potentialet for GeV-diamantdefekter som kvantenetværksknuder.

"For at udvide vores udforskning af GeV og dets potentiale som en kvantenetværksknude, inkorporerer vi aktivt GeV i et egentligt kvantenetværk," sagde Senkalla.

"Vores team i Ulm er i gang med at konstruere eksperimentelle opsætninger, der skal fungere som yderligere knudepunkter i dette kvantenetværk, i overensstemmelse med vores vision om, at Ulm skal blive demonstrationsstedet for et kvantenetværk centreret om gruppe IV-defekter i Tyskland."

I deres kommende undersøgelser planlægger forskerne at inkorporere GeV'er i nanofotoniske hulrum, mens de også adresserer omkringliggende nukleare spins. Disse to trin er begge afgørende for opskalering af kvantenetværk.

"Det første af disse trin forbedrer vores fotonhastighed og dermed sammenfiltringshastigheden, og sidstnævnte muliggør implementering af kvantefejlkorrektionsprotokoller, et vigtigt skridt mod at opnå fejltolerant kvanteberegning," tilføjede Senkalla.

"Vi er på en spændende rejse og ser frem til at skubbe vores forskning videre."

Flere oplysninger: Katharina Senkalla et al., Germanium ledig stilling i diamantkvantehukommelse, der overstiger 20 ms, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.026901. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.09666

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

© 2024 Science X Network