Ähnlich wie elektrische Schaltkreise Komponenten zur Steuerung elektronischer Signale verwenden, sind Quantennetzwerke auf spezielle Komponenten und Knoten angewiesen, um Quanteninformationen zwischen verschiedenen Punkten zu übertragen und so die Grundlage für den Aufbau von Quantensystemen zu bilden.
Im Fall von Quantennetzwerken sind Farbzentren im Diamant, bei denen es sich um gezielt in einen Diamantkristall eingefügte Defekte handelt, von entscheidender Bedeutung für die Erzeugung und Aufrechterhaltung stabiler Quantenzustände über große Entfernungen.
Bei Anregung durch externes Licht emittieren diese Farbzentren im Diamant Photonen, die Informationen über ihre internen elektronischen Zustände, insbesondere die Spinzustände, enthalten. Die Wechselwirkung zwischen den emittierten Photonen und den Spinzuständen der Farbzentren ermöglicht die Übertragung von Quanteninformationen zwischen verschiedenen Knoten in Quantennetzwerken.
Ein bekanntes Beispiel für Farbzentren in Diamant ist das Stickstoff-Leerstellen-Zentrum (NV), bei dem ein Stickstoffatom neben fehlenden Kohlenstoffatomen im Diamantgitter hinzugefügt wird. Allerdings haben die von NV-Farbzentren emittierten Photonen keine genau definierten Frequenzen und werden durch Wechselwirkungen mit der Umgebung beeinflusst, was es schwierig macht, ein stabiles Quantensystem aufrechtzuerhalten.
Um dieses Problem anzugehen, hat eine internationale Gruppe von Forschern, darunter außerordentlicher Professor Takayuki Iwasaki vom Tokyo Institute of Technologie, hat ein einzelnes negativ geladenes Blei-Leerstellenzentrum (PbV) in Diamant entwickelt, bei dem ein Bleiatom zwischen benachbarten Leerstellen in einem Diamantkristall eingefügt wird.
In der in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Physical Review Letters Am 15. Februar 2024 enthüllten die Forscher, dass das PbV-Zentrum Photonen spezifischer Frequenzen emittiert, die nicht von der Schwingungsenergie des Kristalls beeinflusst werden. Diese Eigenschaften machen die Photonen zu zuverlässigen Trägern von Quanteninformationen für groß angelegte Quantennetzwerke.
Für stabile und kohärente Quantenzustände muss das emittierte Photon transformationsbegrenzt sein, was bedeutet, dass es eine möglichst geringe Streuung seiner Frequenz aufweisen sollte. Darüber hinaus sollte es eine Emission in die Null-Phononen-Linie (ZPL) haben, was bedeutet, dass die mit der Emission von Photonen verbundene Energie nur zur Änderung der elektronischen Konfiguration des Quantensystems verwendet und nicht mit den Schwingungsgittermodi (Phononen) ausgetauscht wird. im Kristallgitter.
Um das PbV-Zentrum herzustellen, führten die Forscher durch Ionenimplantation Bleiionen unter die Diamantoberfläche ein. Anschließend wurde ein Glühprozess durchgeführt, um etwaige durch die Bleiionenimplantation verursachte Schäden zu reparieren. Das resultierende PbV-Zentrum weist ein Spin-1/2-System mit vier unterschiedlichen Energiezuständen auf, wobei der Grundzustand und der angeregte Zustand in zwei Energieniveaus aufgeteilt sind.
Bei der Photoanregung des PbV-Zentrums erzeugten Elektronenübergänge zwischen den Energieniveaus vier verschiedene ZPLs, die von den Forschern basierend auf der abnehmenden Energie der zugehörigen Übergänge als A, B, C und D klassifiziert wurden. Unter diesen wurde festgestellt, dass der C-Übergang eine transformationsbegrenzte Linienbreite von 36 MHz aufweist.
„Wir untersuchten die optischen Eigenschaften einzelner PbV-Zentren unter resonanter Anregung und zeigten, dass der C-Übergang, einer der ZPLs, bei 6.2 K nahezu die Transformationsgrenze erreicht, ohne dass es zu einer ausgeprägten Phononen-induzierten Relaxation und spektralen Diffusion kommt“, sagt Dr. Iwasaki .
Das PbV-Zentrum zeichnet sich dadurch aus, dass es seine Linienbreite bei Temperaturen von bis zu 1.2 K auf etwa dem 16-fachen der Transformationsgrenze halten kann. Dies ist wichtig, um bei Zweiphotoneninterferenz eine Sichtbarkeit von etwa 80 % zu erreichen. Im Gegensatz dazu müssen Farbzentren wie SiV, GeV und SnV für ähnliche Bedingungen auf viel niedrigere Temperaturen (4 K bis 6 K) gekühlt werden.
Durch die Erzeugung wohldefinierter Photonen bei relativ hohen Temperaturen im Vergleich zu anderen Farbzentren kann das PbV-Zentrum als effiziente Quantenlicht-Materie-Schnittstelle fungieren, die es ermöglicht, Quanteninformationen von Photonen über optische Fasern über große Entfernungen zu transportieren.
„Diese Ergebnisse können den Weg dafür ebnen, dass das PbV-Zentrum zu einem Baustein für den Aufbau groß angelegter Quantennetzwerke wird“, schließt Dr. Iwasaki.