Центры окраски алмаза находятся в центре внимания все большего числа исследований из-за их потенциала для разработки квантовых технологий. В некоторых работах особенно исследовалось использование отрицательно заряженных дефектов алмаза IV группы, которые демонстрируют эффективный спин-фотонный интерфейс, в качестве узлов квантовых сетей.

Исследователи из Ульмского университета в Германии недавно использовали центр вакансий германия (ГэВ) в алмазе для реализации квантовой памяти . Было обнаружено , что полученная в результате квантовая память, представленная в статье Physical Review Letters, демонстрирует многообещающее время когерентности более 20 мс.

«Основным направлением нашей исследовательской группы является исследование центров окраски алмазов для квантовых приложений», — рассказала Phys.org Катарина Сенкалла, соавтор статьи. «Самым популярным дефектом алмаза до сих пор был азотно-вакансионный центр, но в последнее время в центре внимания исследований оказались и другие центры окраски. Они состоят из элемента IV столбца таблицы Менделеева — Si, Ge, Sn или Pb, а также вакансия в решетке (т.е. отсутствие следующего соседнего атома углерода)».

Было обнаружено, что центры окраски группы IV демонстрируют гораздо более сильную эмиссию в бесфононной линии, чем ранее использовавшиеся центры азотных вакансий. Кроме того, инверсионная симметрия этих центров делает их хорошо подходящими для интеграции в нанофотонные устройства — важный шаг для создания эффективной масштабируемой квантовой сети на основе твердотельных однофотонных источников.

«Наша цель — внести значительный вклад в развитие квантовых сетей, которые облегчат квантовую связь на большие расстояния и распределенные квантовые вычисления», — сказал Сенкалла. «В сфере квантовых сетей решающим аспектом является узел квантовой сети, который требует эффективного спин-фотонного интерфейса и увеличенного времени памяти».

Исследовательская группа из Ульмского университета уже некоторое время изучает потенциал дефектов группы IV в качестве кандидатов на узлы квантовой сети, в последнее время сосредоточив внимание на ГэВ-центре. Этим конкретным дефектам присуща эффективность интерфейса спин-фотон, который характеризуется высококогерентным потоком фотонов.

Такой когерентный поток фотонов является решающим элементом для обеспечения эффективной квантовой связи на больших расстояниях. Тем не менее, реализация квантовых систем с использованием дефектов алмаза IV группы влечет за собой решение различных проблем.

«Эти дефекты сталкиваются с препятствиями, связанными с увеличением времени памяти из-за релаксации, опосредованной фононами, что влияет на когерентность и время памяти», — объяснил Сенкалла. «Наша недавняя работа сосредоточена на решении этой ключевой проблемы, содействуя развитию надежных узлов квантовой сети. Благодаря нашим усилиям мы стремимся преодолеть эти препятствия и внести значительный вклад в развитие квантовых технологий».

Система, разработанная Сенкаллой и ее коллегами, использует ГэВ в качестве элемента квантовой памяти. Чтобы преодолеть проблемы, обычно связанные с разработкой квантовых систем на основе дефектов группы IV, исследователи использовали двойную стратегию.

Первая часть этой стратегии направлена ​​на смягчение негативного воздействия фононов на квантовую информацию. Фактически, дефекты группы IV могут легко соединяться с фононами, которые могут уничтожить квантовую информацию.

«Чтобы преодолеть эту проблему, мы использовали холодильник разбавления (DR) — сложное устройство, широко используемое для сложных экспериментов по квантовым вычислениям, например, в экспериментах IBM по квантовым вычислениям. Оно может поддерживать температуры в диапазоне нескольких сотен милликельвинов», — сказал Сенкалла.

«Вторая часть нашего подхода, с другой стороны, занимается отделением спинового шума и оптимизацией хранения информации. Работа в таком низком температурном диапазоне выявила, что спиновый шум является основным фактором декогеренции. Чтобы продлить время памяти и защитить квантовую информацию. мы реализовали тщательную перефокусировку спина с помощью микроволновых импульсов и в стратегически выбранные интервалы времени, в течение которых могут выполняться вычислительные операции».

Еще одним аспектом, который Сенкалле и ее коллегам пришлось учитывать при разработке своей квантовой памяти, было управление тепловой нагрузкой, создаваемой каждым управляющим импульсом. Фактически, холодильники разбавления имеют ограниченную охлаждающую способность, и превышение этой ограниченной мощности может повысить температуру и, таким образом, облегчить генерацию фононов, что, в свою очередь, может привести к декогеренции.

«Разработка оптимизированной последовательности импульсов включала использование процесса Орнштейна-Уленбека, метода моделирования шума, фиксирующего динамику системы», — сказал Сенкалла.

«Моделирование Орнштейна-Уленбека предоставило важную информацию о динамике шума, позволив найти последовательности, которые деликатно балансируют перефокусировку спина, вычислительные интервалы и управление экспериментальной тепловой нагрузкой».

Исследователи проверили предложенную ими квантовую память как в экспериментах, так и в моделировании. Примечательно, что результаты, достигнутые ими при моделировании, тесно соответствовали экспериментальным данным.

«Это первая успешная демонстрация эффективного управления спином германиевой вакансии (ГэВ) при температурах в милликельвинах», — сказал Сенкалла. «Комплексная методология, которую мы представили, с актуальностью за пределами ГэВ, обладает потенциалом для улучшения производительности квантовой памяти в различных экспериментальных условиях и при других дефектах группы IV».

Конструкция, лежащая в основе предложенной исследователями квантовой памяти, относительно проста и может быть воспроизведена с использованием других дефектов группы IV, помимо ГэВ. В конечном итоге было обнаружено, что эта конструкция увеличивает время когерентности памяти на основе ГэВ в 45 раз, достигая рекордного времени когерентности в 20 миллисекунд.

Замечательные результаты, представленные в статье, подчеркивают потенциал ГэВ-дефектов для разработки систем на основе квантовых сетей. В будущем эта работа может вдохновить на более широкое использование дефектов группы IV для приложений квантовой связи.

«Наше исследование выходит за рамки лабораторных исследований и дает ценную информацию о практическом применении ГэВ и других дефектов группы IV в квантовых технологиях», — сказал Сенкалла.

«Наше моделирование Орнштейна-Уленбека прокладывает путь к оптимизированным схемам контроля ГэВ и подобных дефектов в различных экспериментальных условиях. Потенциальное влияние распространяется на такие отрасли, как Amazon Web Services (AWS), исследующие квантовые сети, основанные на дефектах группы IV, таких как SiV».

Недавнее исследование Сенкаллы и ее коллег может в конечном итоге способствовать развитию систем квантовой связи, а также различных отраслей, которые могут извлечь выгоду из высокопроизводительных квантовых технологий. Тем временем исследователи планируют продолжить изучение потенциала дефектов алмаза ГэВ в качестве узлов квантовой сети.

«Расширяя наши исследования ГэВ и его потенциала как узла квантовой сети, мы активно включаем ГэВ в реальную квантовую сеть», — сказал Сенкалла.

«Наша команда в Ульме находится в процессе создания экспериментальных установок, которые будут служить дополнительными узлами в этой квантовой сети, что соответствует нашему видению того, что Ульм станет местом демонстрации квантовой сети, сосредоточенной на дефектах группы IV в Германии».

В своих предстоящих исследованиях исследователи планируют включить ГэВ в нанофотонные полости, а также обратить внимание на окружающие ядерные спины. Оба этих шага имеют решающее значение для масштабирования квантовых сетей.

«Первый из этих шагов увеличивает скорость фотонов и, следовательно, скорость запутывания, а последний позволяет реализовать протоколы квантовой коррекции ошибок, что является важным шагом на пути к достижению отказоустойчивых квантовых вычислений», — добавил Сенкалла.

«Мы находимся в увлекательном путешествии и с нетерпением ждем продолжения наших исследований».