Centros de vagas de chumbo em diamantes como blocos de construção para redes quânticas em grande escala
A emissão de fótons com limitação de transformação e a operação em alta temperatura tornam os centros PbV blocos de construção adequados para redes quânticas escalonáveis. Crédito:Tokyo Tech Assim como os circuitos elétricos usam componentes para controlar sinais eletrônicos, as redes quânticas dependem de componentes e nós especiais para transferir informações quânticas entre diferentes pontos, formando a base para a construção de sistemas quânticos.
No caso das redes quânticas, os centros de cores do diamante, que são defeitos adicionados intencionalmente a um cristal de diamante, são cruciais para gerar e manter estados quânticos estáveis em longas distâncias.
Quando estimulados pela luz externa, esses centros coloridos no diamante emitem fótons que transportam informações sobre seus estados eletrônicos internos, especialmente os estados de spin. A interação entre os fótons emitidos e os estados de spin dos centros de cores permite que informações quânticas sejam transferidas entre diferentes nós em redes quânticas.
Um exemplo bem conhecido de centros de cor no diamante é o centro de vacância de nitrogênio (NV), onde um átomo de nitrogênio é adicionado adjacente aos átomos de carbono ausentes na estrutura do diamante. No entanto, os fótons emitidos pelos centros de cores NV não possuem frequências bem definidas e são afetados pelas interações com o ambiente circundante, tornando difícil manter um sistema quântico estável.
Para resolver isso, um grupo internacional de pesquisadores, incluindo o professor associado Takayuki Iwasaki, do Instituto de Tecnologia de Tóquio, desenvolveu um único centro de lacunas de chumbo (PbV) com carga negativa em diamante, onde um átomo de chumbo é inserido entre lacunas vizinhas em um cristal de diamante. .
No estudo publicado na revista Physical Review Letters em 15 de fevereiro de 2024, os pesquisadores revelam que o centro do PbV emite fótons de frequências específicas que não são influenciadas pela energia vibracional do cristal. Essas características tornam os fótons portadores confiáveis de informações quânticas para redes quânticas de grande escala.
Para estados quânticos estáveis e coerentes, o fóton emitido deve ser limitado por transformada, o que significa que deve ter a dispersão mínima possível em sua frequência. Além disso, deverá ter emissão em linha zero-fonon (ZPL), o que significa que a energia associada à emissão de fótons é utilizada apenas para alterar a configuração eletrônica do sistema quântico, e não trocada com os modos da rede vibracional (fônons) na rede cristalina.
Para fabricar o centro PbV, os pesquisadores introduziram íons de chumbo abaixo da superfície do diamante por meio de implantação iônica. Um processo de recozimento foi então realizado para reparar qualquer dano causado pela implantação do íon chumbo. O centro PbV resultante exibe um sistema de spin 1/2, com quatro estados de energia distintos com o estado fundamental e o estado excitado divididos em dois níveis de energia.
Ao fotoexcitar o centro PbV, as transições eletrônicas entre os níveis de energia produziram quatro ZPLs distintos, classificados pelos pesquisadores como A, B, C e D com base na energia decrescente das transições associadas. Entre estes, descobriu-se que a transição C tem uma largura de linha limitada por transformação de 36 MHz.
"Investigamos as propriedades ópticas de centros únicos de PbV sob excitação ressonante e demonstramos que a transição C, um dos ZPLs, atinge quase o limite de transformação em 6,2 K sem relaxamento proeminente induzido por fônons e difusão espectral", diz o Dr. .
O centro PbV se destaca por ser capaz de manter sua largura de linha aproximadamente 1,2 vezes o limite de transformação em temperaturas tão altas quanto 16 K. Isso é importante para atingir cerca de 80% de visibilidade na interferência de dois fótons. Em contraste, centros de cores como SiV, GeV e SnV precisam ser resfriados a temperaturas muito mais baixas (4 K a 6 K) para condições semelhantes.
Ao gerar fótons bem definidos a temperaturas relativamente altas em comparação com outros centros de cores, o centro PbV pode funcionar como uma interface quântica eficiente de luz-matéria, que permite que informações quânticas sejam transportadas por longas distâncias por fótons através de fibras ópticas.
“Esses resultados podem abrir caminho para que o centro PbV se torne um alicerce para a construção de redes quânticas em grande escala”, conclui o Dr.
