Al igual que los circuitos eléctricos utilizan componentes para controlar señales electrónicas, las redes cuánticas dependen de componentes y nodos especiales para transferir información cuántica entre diferentes puntos, formando la base para la construcción de sistemas cuánticos.
En el caso de las redes cuánticas, los centros de color del diamante, que son defectos añadidos intencionalmente a un cristal de diamante, son cruciales para generar y mantener estados cuánticos estables a largas distancias.
Cuando son estimulados por la luz externa, estos centros de color en el diamante emiten fotones que transportan información sobre sus estados electrónicos internos, especialmente los estados de espín. La interacción entre los fotones emitidos y los estados de espín de los centros de color permite transferir información cuántica entre diferentes nodos de las redes cuánticas.
Un ejemplo bien conocido de centros de color en diamantes es el centro de nitrógeno vacante (NV), donde se agrega un átomo de nitrógeno adyacente a los átomos de carbono que faltan en la red del diamante. Sin embargo, los fotones emitidos por los centros de color NV no tienen frecuencias bien definidas y se ven afectados por las interacciones con el entorno, lo que dificulta mantener un sistema cuántico estable.
Para abordar esto, un grupo internacional de investigadores, incluido el profesor asociado Takayuki Iwasaki del Instituto de Tokio de Tecnología, ha desarrollado un único centro de vacantes de plomo (PbV) con carga negativa en el diamante, donde se inserta un átomo de plomo entre vacantes vecinas en un cristal de diamante.
En el estudio publicado en la revista Physical Review Letters El 15 de febrero de 2024, los investigadores revelan que el centro PbV emite fotones de frecuencias específicas que no están influenciadas por la energía vibratoria del cristal. Estas características hacen que los fotones sean portadores fiables de información cuántica para redes cuánticas a gran escala.
Para estados cuánticos estables y coherentes, el fotón emitido debe tener una transformación limitada, lo que significa que debe tener la mínima dispersión posible en su frecuencia. Además, debería tener emisión en línea de fonones cero (ZPL), lo que significa que la energía asociada con la emisión de fotones solo se usa para cambiar la configuración electrónica del sistema cuántico y no se intercambia con los modos de red vibratoria (fonones). en la red cristalina.
Para fabricar el centro PbV, los investigadores introdujeron iones de plomo debajo de la superficie del diamante mediante implantación de iones. Luego se llevó a cabo un proceso de recocido para reparar cualquier daño causado por la implantación de iones de plomo. El centro PbV resultante exhibe un sistema de espín 1/2, con cuatro estados de energía distintos con el suelo y el estado excitado divididos en dos niveles de energía.
Al fotoexcitar el centro PbV, las transiciones de electrones entre los niveles de energía produjeron cuatro ZPL distintos, clasificados por los investigadores como A, B, C y D en función de la energía decreciente de las transiciones asociadas. Entre estos, se encontró que la transición C tenía un ancho de línea limitado por transformación de 36 MHz.
"Investigamos las propiedades ópticas de centros PbV individuales bajo excitación resonante y demostramos que la transición C, una de las ZPL, alcanza casi el límite de transformación a 6.2 K sin una relajación prominente inducida por fonones y difusión espectral", dice el Dr. Iwasaki .
El centro PbV se destaca por ser capaz de mantener su ancho de línea en aproximadamente 1.2 veces el límite de transformación a temperaturas de hasta 16 K. Esto es importante para lograr alrededor del 80% de visibilidad en interferencia de dos fotones. Por el contrario, los centros de color como SiV, GeV y SnV deben enfriarse a temperaturas mucho más bajas (4 K a 6 K) para condiciones similares.
Al generar fotones bien definidos a temperaturas relativamente altas en comparación con otros centros de color, el centro PbV puede funcionar como una interfaz cuántica eficiente de luz-materia, que permite que los fotones transporten información cuántica a largas distancias a través de fibras ópticas.
"Estos resultados pueden allanar el camino para que el centro PbV se convierta en un elemento básico para construir redes cuánticas a gran escala", concluye el Dr. Iwasaki.