Net zoals elektrische circuits componenten gebruiken om elektronische signalen te besturen, vertrouwen kwantumnetwerken op speciale componenten en knooppunten om kwantuminformatie tussen verschillende punten over te dragen, wat de basis vormt voor het bouwen van kwantumsystemen.
In het geval van kwantumnetwerken zijn kleurcentra in diamant, defecten die opzettelijk aan een diamantkristal zijn toegevoegd, cruciaal voor het genereren en behouden van stabiele kwantumtoestanden over lange afstanden.
Wanneer ze worden gestimuleerd door extern licht, zenden deze kleurcentra in diamant fotonen uit die informatie bevatten over hun interne elektronische toestanden, vooral de spintoestanden. De interactie tussen de uitgezonden fotonen en de spintoestanden van de kleurcentra maakt het mogelijk dat kwantuminformatie wordt overgedragen tussen verschillende knooppunten in kwantumnetwerken.
Een bekend voorbeeld van kleurcentra in diamant is het stikstof-vacancy (NV) centrum, waarbij een stikstofatoom wordt toegevoegd naast ontbrekende koolstofatomen in het diamantrooster. De fotonen die worden uitgezonden door NV-kleurcentra hebben echter geen goed gedefinieerde frequenties en worden beïnvloed door interacties met de omringende omgeving, waardoor het een uitdaging is om een stabiel kwantumsysteem in stand te houden.
Om dit aan te pakken heeft een internationale groep onderzoekers, waaronder universitair hoofddocent Takayuki Iwasaki van het Tokyo Institute of Technologie, heeft een enkel negatief geladen lood-vacancy (PbV) centrum in diamant ontwikkeld, waar een loodatoom wordt ingevoegd tussen aangrenzende vacatures in een diamantkristal.
In de studie gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters op 15 februari 2024 onthullen de onderzoekers dat het PbV-centrum fotonen uitzendt met specifieke frequenties die niet worden beïnvloed door de trillingsenergie van het kristal. Deze eigenschappen maken de fotonen tot betrouwbare dragers van kwantuminformatie voor grootschalige kwantumnetwerken.
Voor stabiele en coherente kwantumtoestanden moet het uitgezonden foton transformatiegelimiteerd zijn, wat betekent dat het een zo klein mogelijke spreiding in zijn frequentie moet hebben. Bovendien zou het een emissie naar een nul-fononlijn (ZPL) moeten hebben, wat betekent dat de energie die gepaard gaat met de emissie van fotonen alleen wordt gebruikt om de elektronische configuratie van het kwantumsysteem te veranderen, en niet wordt uitgewisseld met de trillingsroostermodi (fononen). in het kristalrooster.
Om het PbV-centrum te fabriceren, introduceerden de onderzoekers loodionen onder het diamantoppervlak door middel van ionenimplantatie. Vervolgens werd een uitgloeiproces uitgevoerd om eventuele schade veroorzaakt door de loodionenimplantatie te herstellen. Het resulterende PbV-centrum vertoont een spin 1/2-systeem, met vier verschillende energietoestanden waarbij de grond en de aangeslagen toestand in twee energieniveaus zijn opgesplitst.
Bij het foto-exciteren van het PbV-centrum produceerden elektronenovergangen tussen de energieniveaus vier verschillende ZPL's, door de onderzoekers geclassificeerd als A, B, C en D op basis van de afnemende energie van de bijbehorende overgangen. Hiervan bleek de C-overgang een transformatie-gelimiteerde lijnbreedte van 36 MHz te hebben.
"We onderzochten de optische eigenschappen van afzonderlijke PbV-centra onder resonante excitatie en toonden aan dat de C-overgang, een van de ZPL's, de bijna transformatielimiet bereikt bij 6.2 K zonder prominente door fononen geïnduceerde relaxatie en spectrale diffusie", zegt Dr. Iwasaki .
Het PbV-centrum onderscheidt zich doordat het zijn lijnbreedte op ongeveer 1.2 keer de transformatielimiet kan handhaven bij temperaturen tot 16 K. Dit is belangrijk om een zichtbaarheid van ongeveer 80% te bereiken bij interferentie van twee fotonen. Kleurcentra zoals SiV, GeV en SnV moeten daarentegen voor vergelijkbare omstandigheden worden gekoeld tot veel lagere temperaturen (4 K tot 6 K).
Door goed gedefinieerde fotonen te genereren bij relatief hoge temperaturen in vergelijking met andere kleurcentra, kan het PbV-centrum functioneren als een efficiënte kwantumlicht-materie-interface, waardoor kwantuminformatie door fotonen via optische vezels over lange afstanden kan worden overgedragen.
“Deze resultaten kunnen de weg vrijmaken voor het PbV-centrum om een bouwsteen te worden voor de constructie van grootschalige kwantumnetwerken”, besluit Dr. Iwasaki.