בדומה לאופן שבו מעגלים חשמליים משתמשים ברכיבים כדי לשלוט באותות אלקטרוניים, רשתות קוונטיות מסתמכות על רכיבים וצמתים מיוחדים להעברת מידע קוונטי בין נקודות שונות, מהווים את הבסיס לבניית מערכות קוונטיות.
במקרה של רשתות קוונטיות, מרכזי צבע ביהלום, שהם פגמים שנוספו בכוונה לגביש יהלום, הם קריטיים ליצירת ושימור מצבים קוונטיים יציבים למרחקים ארוכים.
כאשר הם מעוררים על ידי אור חיצוני, מרכזי צבע אלה ביהלום פולטים פוטונים הנושאים מידע על המצבים האלקטרוניים הפנימיים שלהם, במיוחד מצבי הספין. האינטראקציה בין הפוטונים הנפלטים לבין מצבי הספין של מרכזי הצבע מאפשרת העברת מידע קוונטי בין צמתים שונים ברשתות קוונטיות.
דוגמה ידועה למרכזי צבע ביהלום היא מרכז החנקן-ריק (NV), שבו מתווסף אטום חנקן בסמוך לאטומי פחמן חסרים בסריג היהלום. עם זאת, לפוטונים הנפלטים ממרכזי צבע NV אין תדרים מוגדרים היטב והם מושפעים מאינטראקציות עם הסביבה הסובבת, מה שהופך את זה למאתגר לשמור על מערכת קוונטית יציבה.
כדי לתת מענה לכך, קבוצה בינלאומית של חוקרים, כולל פרופסור חבר טקאיוקי איוואסקי ממכון טוקיו של טכנולוגיה, פיתחה מרכז ריק עופרת מטען שלילי (PbV) יחיד ביהלום, שבו מוחדר אטום עופרת בין מקומות פנויים שכנים בגביש יהלום.
במחקר שפורסם בכתב העת מכתבי סקירה פיזית ב-15 בפברואר 2024, החוקרים חושפים שמרכז PbV פולט פוטונים בתדרים ספציפיים שאינם מושפעים מאנרגיית הרטט של הגביש. מאפיינים אלה הופכים את הפוטונים לנשאים אמינים של מידע קוונטי עבור רשתות קוונטיות בקנה מידה גדול.
עבור מצבים קוונטיים יציבים וקוהרנטיים, הפוטון הנפלט חייב להיות מוגבל לטרנספורמציה, מה שאומר שהוא צריך להיות בעל פיזור מינימלי אפשרי בתדירות שלו. בנוסף, צריכה להיות לו פליטה לקו אפס-פונון (ZPL), כלומר האנרגיה הקשורה לפליטת פוטונים משמשת רק לשינוי התצורה האלקטרונית של המערכת הקוונטית, ולא מוחלפת עם מצבי הסריג הרטט (פונונים) בסריג הקריסטל.
כדי לייצר את מרכז PbV, החוקרים הציגו יוני עופרת מתחת לפני היהלום באמצעות השתלת יונים. לאחר מכן בוצע תהליך חישול לתיקון כל נזק שנגרם על ידי השתלת יון עופרת. מרכז ה-PbV המתקבל מציג מערכת ספין של 1/2, עם ארבעה מצבי אנרגיה ברורים עם הקרקע והמצב הנרגש מפוצל לשתי רמות אנרגיה.
לאחר ריגוש פוטוגרפי של מרכז ה-PbV, מעברי אלקטרונים בין רמות האנרגיה יצרו ארבעה ZPLs נפרדים, שסווגו על ידי החוקרים כ-A, B, C ו-D על סמך האנרגיה הפוחתת של המעברים הקשורים. בין אלה, למעבר C נמצא רוחב קו מוגבל של 36 מגה-הרץ.
"חקרנו את המאפיינים האופטיים של מרכזי PbV בודדים תחת עירור תהודה והדגמנו שמעבר ה-C, אחד מה-ZPLs, מגיע לגבול כמעט הטרנספורמציה ב-6.2 K ללא הרפיה ודיפוזיה ספקטרלית בולטת המושרה על ידי פונון", אומר ד"ר איוואסקי. .
מרכז ה-PbV בולט בכך שהוא מסוגל לשמור על רוחב הקו שלו בערך פי 1.2 מגבול הטרנספורמציה בטמפרטורות גבוהות כמו 16 K. זה חשוב כדי להשיג כ-80% ראות בהפרעות דו-פוטונים. לעומת זאת, מרכזי צבע כמו SiV, GeV ו-SnV צריכים להיות מקוררים לטמפרטורות נמוכות בהרבה (4 K עד 6 K) עבור תנאים דומים.
על ידי יצירת פוטונים מוגדרים היטב בטמפרטורות גבוהות יחסית למרכזי צבע אחרים, מרכז PbV יכול לתפקד כממשק אור קוונטי יעיל, המאפשר לשאת מידע קוונטי למרחקים ארוכים על ידי פוטונים דרך סיבים אופטיים.
"תוצאות אלו יכולות לסלול את הדרך למרכז PbV להפוך לאבן בניין לבניית רשתות קוונטיות בקנה מידה גדול", מסכם ד"ר איוואסקי.