Praktyczne wykorzystanie defektów w strukturach krystalicznych diamentu w sieciach kwantowych
Centra cyna-wakancja i krzem-wakancja są defektami w sieci krystalicznej diamentu. Unikalne właściwości tych jasnych, wąskopasmowych emiterów optycznych, które składają się z atomu krzemu (lub cyny) zastępującego dwa sąsiadujące ze sobą atomy węgla w diamencie, sprawiają, że są one doskonałymi kandydatami na kubity. „Zanieczyszczenia atomowe w diamencie mogą przetwarzać informacje za pomocą swojego spinu, właściwości podobnej do małego magnesu związanej z defektem sieci krystalicznej i rządzonego prawami mechaniki kwantowej” — zauważa Benjamin Pingault, koordynator projektu COHESiV, który otrzymał finansowanie z programu działania „Maria Skłodowska-Curie”.
Drgania mechaniczne pośredniczą w przekazywaniu informacji
Spin centrów krzem-wakancja może kodować informacje z fotonów. Po zakodowaniu informacje muszą zostać przetworzone i udostępnione innym spinom. Ale w jaki sposób może odbywać się transfer informacji między innymi kubitami? Odpowiedź leży w wyjątkowej wrażliwości tych centrów na drgania w sieci diamentowej. Jak wyjaśnia Pingault: „naszym celem było więc generowanie drgań w kontrolowany sposób. W ten sposób możemy wykorzystać je do kontrolowania spinu centrów krzem-wakancja i ułatwienia interakcji z innymi spinami”. Drgania mechaniczne mogą wchodzić w interakcje z różnymi układami fizycznymi, działając jako pośrednik między bardzo różnymi układami kwantowymi, które w przeciwnym razie nie byłyby w stanie ze sobą współdziałać. Interakcja ta wpływa jednak na delikatną naturę informacji kwantowej. „Informacje kwantowe mogą być kruche, a spiny mogą je niezawodnie przechowywać tylko przez ograniczony czas” — wyjaśnia Pingault. „Aby wydłużyć ten czas przechowywania, wykorzystujemy obecność spinów należących do jąder niektórych atomów węgla w diamencie. Te spiny jądrowe oddziałują z otoczeniem w minimalnym stopniu, służąc jako doskonała pamięć do przechowywania informacji”.
Osiąganie długich czasów koherencji na kubitach spinu jądrowego
W ramach projektu COHESiV naukowcy z powodzeniem połączyli spin pojedynczych centrów krzem-wakancja z powierzchniowymi falami akustycznymi. „Te drgania mechaniczne rozprzestrzeniają się tylko na powierzchni materiału, jak fale na wodzie. Wysyłając precyzyjnie ustawione w czasie impulsy, kontrolowaliśmy stan kwantowy spinów krzem-wakancja w określonych odstępach czasu” — stwierdza Pingault. „Udało nam się również kontrolować pobliskie spiny jądrowe, demonstrując ich doskonałą zdolność do przechowywania informacji przez dziesiątki milisekund — wystarczająco długo, aby przeprowadzić wiele algorytmów kwantowych” — podkreśla Pingault. „Nasze badania wykazały, że pary spinów jądrowych mają jeden z najdłuższych czasów koherencji wśród platform półprzewodnikowych” — mówi Pingault. „Zrozumienie mechanizmów, które umożliwiają im przechowywanie informacji przez tak długi czas, może pomóc zmniejszyć wrażliwość systemów kwantowych na środowisko, czyniąc je bardziej odpornymi na błędy w algorytmach kwantowych”. Aby jeszcze bardziej wydłużyć ten czas przechowywania, naukowcy zbadali spiny jądrowe znajdujące się blisko siebie i tworzące pary w sieci diamentu. „Odkryliśmy, że pary te mogą przechowywać informacje kwantowe przez ponad minutę dzięki połączeniu specyficznych cech, które znacznie zwiększają ich niewrażliwość na otoczenie” — dodaje Pingault. Ostatecznie naukowcy zbadali niedawno odkryte zanieczyszczenie diamentu — centrum cyna-wakancja. Posiada ono spin podobnie jak centrum krzem-wakancja, ale wykazuje lepsze właściwości optyczne. Poprzez włączenie pojedynczych centrów cyna-wakancja do wnęk fotonicznych kryształów zespół wzmocnił interakcję centrum cyna-wakancja ze światłem, poprawiając wydajność transferu informacji w sieciach kwantowych.
Słowa kluczowe
COHESiV, diament, spin jądrowy, centrum krzem-wakancja, sieci kwantowe, defekt atomowy, czas koherencji, transfer informacji
