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».