De kleurcentra van diamant staan ​​centraal in een toenemend aantal onderzoeksstudies, vanwege hun potentieel voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën. In sommige werken is vooral het gebruik onderzocht van negatief geladen diamantdefecten uit groep IV, die een efficiënt spin-foton-interface vertonen, als knooppunten van kwantumnetwerken.

Onderzoekers van de Ulm Universiteit in Duitsland hebben onlangs een Germanium vacaturecentrum (GeV) in diamant gebruikt om een ​​kwantumgeheugen te realiseren. Het resulterende kwantumgeheugen, gepresenteerd in een Physical Review Letters papier, bleek een veelbelovende coherentietijd van meer dan 20 ms te vertonen.

"De primaire focus van onze onderzoeksgroep is de verkenning van diamantkleurcentra voor kwantumtoepassingen", vertelde Katharina Senkalla, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. ‘Het meest populaire defect van diamant tot nu toe is het stikstof-vacaturecentrum, maar recentelijk zijn ook andere kleurcentra het onderwerp van onderzoek geworden. Deze bestaan ​​uit een element uit de IV-kolom van het periodiek systeem – Si, Ge, Sn of Pb, en een roostervacature (d.w.z. ontbrekend koolstofatoom van de volgende buur)."

Het is gebleken dat kleurcentra uit Groep IV veel sterkere emissies vertonen in de nul-fononlijn dan voorheen gebruikte centra voor stikstofleegstand. Bovendien maakt de inversiesymmetrie van deze centra ze zeer geschikt voor integratie in nanofotonische apparaten – een belangrijke stap voor een efficiënt schaalbaar kwantumnetwerk gebaseerd op solid-state, single-photon bronnen.

"Ons doel is om een ​​belangrijke bijdrage te leveren aan de ontwikkeling van kwantumnetwerken die kwantumcommunicatie over lange afstanden en gedistribueerde kwantumcomputers mogelijk maken", aldus Senkalla. "Op het gebied van kwantumnetwerken is een cruciaal aspect het kwantumnetwerkknooppunt, dat een efficiënte spin-fotoninterface en langere geheugentijden vereist."

De onderzoeksgroep van de Universiteit van Ulm onderzoekt al geruime tijd het potentieel van groep IV-defecten als kandidaten voor kwantumnetwerkknooppunten, waarbij de laatste tijd de nadruk ligt op het GeV-centrum. Deze specifieke defecten hebben een inherente efficiëntie in het spin-foton-interface, dat wordt gekenmerkt door een zeer coherente flux van fotonen.

Een dergelijke coherente flux van fotonen is een cruciaal element voor het mogelijk maken van effectieve kwantumcommunicatie over lange afstanden. Niettemin brengt het realiseren van kwantumsystemen met behulp van diamantdefecten uit groep IV het overwinnen van verschillende uitdagingen met zich mee.

"Deze defecten stuiten op obstakels die verband houden met langere geheugentijden als gevolg van fonon-gemedieerde ontspanning, wat de coherentie en geheugentijd beïnvloedt", legt Senkalla uit. "Ons recente werk is gericht op het aanpakken van deze cruciale uitdaging en het stimuleren van de ontwikkeling van robuuste kwantumnetwerkknooppunten. Door onze inspanningen streven we ernaar deze obstakels te overwinnen en aanzienlijk bij te dragen aan de vooruitgang van kwantumtechnologieën."

Het door Senkalla en haar collega's ontwikkelde systeem maakt gebruik van een GeV als het kwantumgeheugenelement. Om de uitdagingen te overwinnen die gewoonlijk worden geassocieerd met de op defecten gebaseerde kwantumsystemen van ontwikkelingsgroep IV, gebruikten de onderzoekers een tweevoudige strategie.

Het eerste deel van deze strategie is gericht op het verzachten van de negatieve impact van fononen op kwantuminformatie. Groep IV-defecten kunnen zelfs gemakkelijk worden gekoppeld aan fononen, die kwantuminformatie kunnen vernietigen.

"Om deze uitdaging te overwinnen, hebben we een Dilution Fridge (DR) gebruikt, een geavanceerd apparaat dat veel wordt gebruikt voor geavanceerde kwantumcomputerexperimenten, bijvoorbeeld in de kwantumcomputerexperimenten van IBM. Het kan temperaturen bereiden in het bereik van een paar honderd millikelvin", zei Senkalla. P>

"Het tweede deel van onze aanpak daarentegen richt zich op de ontkoppeling van spinruis en de optimalisatie van informatieopslag. Door bij zo'n laag temperatuurbereik te werken, bleek spinruis de belangrijkste factor in decoherentie. Om de geheugentijden te verlengen en kwantuminformatie te beschermen hebben we nauwgezette spin-herfocussering geïmplementeerd met microgolfpulsen en op strategisch gekozen tijdsintervallen waarin computerbewerkingen kunnen worden uitgevoerd."

Een ander aspect waarmee Senkalla en haar collega's rekening moesten houden bij het ontwikkelen van hun kwantumgeheugen was het beheer van de warmtebelasting die bij elke regelpuls werd geïntroduceerd. In feite hebben verdunningskoelkasten een beperkte koelcapaciteit, en het overschrijden van deze beperkte capaciteit zou de temperatuur kunnen verhogen en zo de generatie van fononen kunnen vergemakkelijken, wat op zijn beurt tot decoherentie zou kunnen leiden.

"Bij het ontwikkelen van een geoptimaliseerde pulssequentie is gebruik gemaakt van het Ornstein-Uhlenbeck-proces, een ruismodelleringstechniek die de dynamiek van het systeem vastlegt", aldus Senkalla.

"De Ornstein-Uhlenbeck-simulaties leverden belangrijke inzichten op in de ruisdynamiek, waardoor sequenties konden worden gevonden die de spin-herfocussering, rekenintervallen en het beheer van experimentele warmtebelasting subtiel in evenwicht brachten."

De onderzoekers testten hun voorgestelde kwantumgeheugen in zowel experimenten als simulaties. Met name de resultaten die ze in simulaties behaalden, kwamen nauw overeen met de experimentele gegevens.

"Onze demonstratie is de eerste succesvolle demonstratie van efficiënte spincontrole voor de germaniumvacature (GeV) bij millikelvin-temperaturen", zei Senkalla. "De alomvattende methodologie die we hebben geïntroduceerd, met een relevantie die verder gaat dan GeV, biedt potentieel voor het verbeteren van de kwantumgeheugenprestaties onder diverse experimentele omstandigheden en andere groep IV-defecten."

Het ontwerp dat ten grondslag ligt aan het door de onderzoekers voorgestelde kwantumgeheugen is relatief eenvoudig en zou kunnen worden gerepliceerd met behulp van andere groep IV-defecten dan GeV's. Uiteindelijk bleek dit ontwerp de coherentietijden van op GeV gebaseerde geheugens met een factor tot 45 te verlengen, waardoor een recordcoherentietijd van 20 milliseconden werd bereikt.

De opmerkelijke bevindingen die in het artikel worden gepresenteerd benadrukken het potentieel van GeV-defecten voor de ontwikkeling van op kwantumnetwerken gebaseerde systemen. In de toekomst zou dit werk kunnen inspireren tot een groter gebruik van groep-IV-defecten voor kwantumcommunicatietoepassingen.

"Ons onderzoek reikt verder dan het laboratorium en biedt waardevolle inzichten in de praktische toepassingen van GeV en andere groep-IV-defecten in kwantumtechnologieën", aldus Senkalla.

"Onze Ornstein-Uhlenbeck-simulaties maken de weg vrij voor geoptimaliseerde controleschema's voor GeV en soortgelijke defecten onder verschillende experimentele omstandigheden. De potentiële impact strekt zich uit tot industrieën als Amazon Web Services (AWS), waarbij kwantumnetwerken worden onderzocht op basis van groep IV-defecten zoals SiV."

Het recente onderzoek van Senkalla en haar collega’s zou uiteindelijk kunnen bijdragen aan de vooruitgang van kwantumcommunicatiesystemen, evenals aan verschillende industrieën die kunnen profiteren van hoogpresterende kwantumtechnologieën. Ondertussen zijn de onderzoekers van plan het potentieel van GeV-diamantdefecten als kwantumnetwerkknooppunten te blijven onderzoeken.

"Voortbouwend op onze verkenning van de GeV en zijn potentieel als een kwantumnetwerkknooppunt, integreren we GeV actief in een daadwerkelijk kwantumnetwerk", aldus Senkalla.

"Ons team in Ulm is bezig met het bouwen van experimentele opstellingen die kunnen dienen als extra knooppunten in dit kwantumnetwerk, in lijn met onze visie dat Ulm de demonstratielocatie moet worden voor een kwantumnetwerk gericht op groep IV-defecten in Duitsland."

In hun komende onderzoeken zijn de onderzoekers van plan GeV's in nanofotonische holtes op te nemen, terwijl ze ook de omliggende kernspins aanpakken. Deze twee stappen zijn beide cruciaal voor het opschalen van kwantumnetwerken.

"De eerste van deze stappen verbetert onze fotonensnelheid en dus de verstrengelingssnelheid, en de laatste maakt de implementatie van kwantumfoutcorrectieprotocollen mogelijk, een belangrijke stap in de richting van het bereiken van fouttolerante kwantumcomputers", voegde Senkalla eraan toe.

"We zijn op een spannende reis en kijken ernaar uit om ons onderzoek verder te brengen."

Meer informatie: Katharina Senkalla et al, Germanium-vacature in Diamond Quantum Memory groter dan 20 ms, Fysieke beoordelingsbrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.026901. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.09666

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , arXiv

© 2024 Science X Netwerk