مثلما تستخدم الدوائر الكهربائية المكونات للتحكم في الإشارات الإلكترونية، تعتمد الشبكات الكمومية على مكونات وعقد خاصة لنقل المعلومات الكمومية بين نقاط مختلفة، مما يشكل الأساس لبناء الأنظمة الكمومية.
في حالة الشبكات الكمومية، تعتبر مراكز الألوان في الماس، وهي عيوب تضاف عمدًا إلى بلورة الماس، ضرورية لتوليد حالات كمومية مستقرة والحفاظ عليها على مسافات طويلة.
عند تحفيزها بالضوء الخارجي، تصدر مراكز الألوان هذه في الماس فوتونات تحمل معلومات حول حالاتها الإلكترونية الداخلية، وخاصة حالات الدوران. يتيح التفاعل بين الفوتونات المنبعثة وحالات الدوران لمراكز الألوان نقل المعلومات الكمومية بين العقد المختلفة في الشبكات الكمومية.
أحد الأمثلة المعروفة لمراكز الألوان في الماس هو مركز شواغر النيتروجين (NV)، حيث تتم إضافة ذرة نيتروجين بجوار ذرات الكربون المفقودة في شبكة الماس. ومع ذلك، فإن الفوتونات المنبعثة من مراكز الألوان NV ليس لها ترددات محددة جيدًا وتتأثر بالتفاعلات مع البيئة المحيطة، مما يجعل الحفاظ على نظام كمي مستقر أمرًا صعبًا.
ولمعالجة هذا الأمر، قامت مجموعة دولية من الباحثين، بما في ذلك البروفيسور المشارك تاكايوكي إيواساكي من معهد طوكيو تكنولوجيا، طورت مركزًا واحدًا لشواغر الرصاص (PbV) سالب الشحنة في الماس، حيث يتم إدخال ذرة الرصاص بين الشواغر المجاورة في بلورة الماس.
في الدراسة المنشورة في المجلة استعراض للحروف البدنية في 15 فبراير 2024، كشف الباحثون أن مركز PbV يصدر فوتونات ذات ترددات محددة لا تتأثر بالطاقة الاهتزازية للبلورة. هذه الخصائص تجعل الفوتونات ناقلات موثوقة للمعلومات الكمومية للشبكات الكمومية واسعة النطاق.
بالنسبة للحالات الكمومية المستقرة والمتماسكة، يجب أن يكون الفوتون المنبعث محدود التحويل، مما يعني أنه يجب أن يكون له أقل انتشار ممكن في تردده. بالإضافة إلى ذلك، ينبغي أن يكون لها انبعاث في خط الفونون الصفري (ZPL)، مما يعني أن الطاقة المرتبطة بانبعاث الفوتونات تُستخدم فقط لتغيير التكوين الإلكتروني للنظام الكمي، ولا يتم تبادلها مع أوضاع الشبكة الاهتزازية (الفونونات). في الشبكة البلورية.
لتصنيع مركز PbV، أدخل الباحثون أيونات الرصاص تحت سطح الماس من خلال زرع الأيونات. تم بعد ذلك إجراء عملية التلدين لإصلاح أي ضرر ناتج عن زرع أيون الرصاص. يعرض مركز PbV الناتج نظام دوران 1/2، مع أربع حالات طاقة متميزة مع تقسيم الأرض والحالة المثارة إلى مستويين للطاقة.
عند الإثارة الضوئية لمركز PbV، أنتجت انتقالات الإلكترون بين مستويات الطاقة أربعة ZPLs متميزة، صنفها الباحثون على أنها A وB وC وD بناءً على الطاقة المتناقصة للتحولات المرتبطة. ومن بين هذه العناصر، وجد أن الانتقال C له عرض خط تحويل محدود يبلغ 36 ميجاهرتز.
يقول الدكتور إيواساكي: "لقد قمنا بدراسة الخصائص البصرية لمراكز PbV الفردية في ظل إثارة الرنين وأثبتنا أن التحول C، وهو أحد ZPLs، يصل إلى حد التحويل تقريبًا عند 6.2 كلفن دون استرخاء بارز ناتج عن الفونون وانتشار طيفي". .
يبرز مركز PbV من خلال قدرته على الحفاظ على عرض خطه عند ما يقرب من 1.2 مرة من حد التحويل عند درجات حرارة تصل إلى 16 كلفن. وهذا مهم لتحقيق رؤية تبلغ حوالي 80٪ في تداخل ثنائي الفوتون. في المقابل، تحتاج مراكز الألوان مثل SiV وGeV وSnV إلى تبريدها إلى درجات حرارة أقل بكثير (4 K إلى 6 K) لظروف مماثلة.
من خلال توليد فوتونات محددة جيدًا عند درجات حرارة عالية نسبيًا مقارنة بمراكز الألوان الأخرى، يمكن لمركز PbV أن يعمل كواجهة كمومية فعالة للضوء والمادة، والتي تتيح نقل المعلومات الكمومية لمسافات طويلة بواسطة الفوتونات عبر الألياف الضوئية.
ويخلص الدكتور إيواساكي إلى أن "هذه النتائج يمكن أن تمهد الطريق لمركز PbV ليصبح لبنة أساسية لبناء شبكات كمومية واسعة النطاق".