Os centros de cor do diamante são foco de um número cada vez maior de pesquisas, devido ao seu potencial para o desenvolvimento de tecnologias quânticas. Alguns trabalhos exploraram particularmente o uso de defeitos de diamante do grupo IV com carga negativa, que exibem uma interface spin-fóton eficiente, como nós de redes quânticas.



Pesquisadores da Universidade de Ulm, na Alemanha, aproveitaram recentemente um centro de germânio vago (GeV) em diamante para realizar uma memória quântica. A memória quântica resultante, apresentada em uma Physical Review Letters artigo, apresentou um tempo de coerência promissor de mais de 20 ms.

“O foco principal do nosso grupo de pesquisa é a exploração de centros de cores de diamantes para aplicações quânticas”, disse Katharina Senkalla, coautora do artigo, ao Phys.org. "O defeito mais popular do diamante até agora tem sido o centro de vacância de nitrogênio, mas, recentemente, outros centros de cores também se tornaram foco de pesquisa. Eles consistem em um elemento da coluna IV da tabela periódica - Si, Ge, Sn ou Pb, e uma vacância na rede (isto é, faltando o próximo átomo de carbono vizinho)."

Descobriu-se que os centros de cores do Grupo IV exibem emissões muito mais fortes na linha de fônon zero do que os centros de vacância de nitrogênio empregados anteriormente. Além disso, a simetria de inversão desses centros os torna adequados para integração em dispositivos nanofotônicos - um passo importante para uma rede quântica eficiente e escalável baseada em fontes de fóton único de estado sólido.

“Nosso objetivo é fazer contribuições significativas para o desenvolvimento de redes quânticas que facilitem a comunicação quântica de longa distância e a computação quântica distribuída”, disse Senkalla. "No domínio das redes quânticas, um aspecto crucial é o nó da rede quântica, que exige uma interface spin-fóton eficiente e tempos de memória estendidos."

O grupo de pesquisa da Universidade de Ulm vem explorando o potencial dos defeitos do grupo IV como candidatos a nós de redes quânticas há algum tempo, recentemente com foco no centro GeV. Esses defeitos específicos têm uma eficiência inerente à interface spin-fóton, que é caracterizada por um fluxo de fótons altamente coerente.

Esse fluxo coerente de fótons é um elemento crucial para permitir uma comunicação quântica eficaz em longas distâncias. No entanto, a realização de sistemas quânticos utilizando defeitos de diamante do grupo IV implica a superação de vários desafios.

“Esses defeitos encontram obstáculos relacionados a tempos de memória prolongados devido ao relaxamento mediado por fônons, impactando a coerência e o tempo de memória”, explicou Senkalla. "Nosso trabalho recente está focado em enfrentar esse desafio crucial, impulsionando o desenvolvimento de nós robustos de redes quânticas. Através de nossos esforços, aspiramos superar esses obstáculos e contribuir significativamente para o avanço das tecnologias quânticas."

O sistema desenvolvido por Senkalla e seus colegas utiliza um GeV como elemento de memória quântica. Para superar os desafios comumente associados aos sistemas quânticos baseados em defeitos do grupo de desenvolvimento IV, os pesquisadores empregaram uma estratégia dupla.

A primeira parte desta estratégia visa mitigar o impacto adverso dos fônons na informação quântica. Na verdade, os defeitos do grupo IV podem facilmente acoplar-se aos fônons, o que pode destruir informações quânticas.

"Para superar esse desafio, utilizamos um refrigerador de diluição (DR), um dispositivo sofisticado amplamente utilizado para experimentos sofisticados de computação quântica, por exemplo, em experimentos de computação quântica da IBM. Ele pode preparar temperaturas na faixa de algumas centenas de milikelvin", disse Senkalla.

"A segunda parte da nossa abordagem, por outro lado, aborda o desacoplamento do ruído de spin e a otimização do armazenamento de informações. Operar em uma faixa de temperatura tão baixa revelou o ruído de spin como o principal fator na decoerência. Para prolongar os tempos de memória e proteger as informações quânticas , implementamos uma refocagem meticulosa de spin com pulsos de micro-ondas e em intervalos de tempo estrategicamente escolhidos nos quais as operações computacionais podem ser realizadas."

Outro aspecto que Senkalla e seus colegas tiveram que considerar ao desenvolver sua memória quântica foi o gerenciamento da carga de calor introduzida a cada pulso de controle. Na verdade, os refrigeradores de diluição têm uma capacidade de resfriamento limitada, e exceder essa capacidade limitada poderia elevar a temperatura e, assim, facilitar a geração de fônons, o que poderia, por sua vez, levar à decoerência.

"O desenvolvimento de uma sequência de pulsos otimizada envolveu o emprego do processo Ornstein-Uhlenbeck, uma técnica de modelagem de ruído que captura a dinâmica do sistema", disse Senkalla.

"As simulações de Ornstein-Uhlenbeck forneceram informações importantes sobre a dinâmica do ruído, permitindo a descoberta de sequências que equilibravam delicadamente a reorientação do spin, os intervalos computacionais e o gerenciamento da carga de calor experimental."

Os pesquisadores testaram a memória quântica proposta em experimentos e simulações. Notavelmente, os resultados alcançados nas simulações estavam intimamente alinhados com os dados experimentais.

"A nossa é a primeira demonstração bem-sucedida de controle eficiente de rotação para a vacância de germânio (GeV) em temperaturas milikelvin", disse Senkalla. “A metodologia abrangente que introduzimos, com relevância além do GeV, tem potencial para avançar no desempenho da memória quântica em diversas condições experimentais e outros defeitos do grupo IV.”

O projeto que sustenta a memória quântica proposta pelos pesquisadores é relativamente simples e pode ser replicado usando outros defeitos do grupo IV além dos GeVs. Descobriu-se que esse projeto estendeu os tempos de coerência das memórias baseadas em GeV em um fator de até 45, atingindo um tempo de coerência recorde de 20 milissegundos.

As descobertas notáveis ​​apresentadas no artigo destacam o potencial dos defeitos GeV para o desenvolvimento de sistemas quânticos baseados em redes. No futuro, este trabalho poderá inspirar um maior uso de defeitos do grupo IV para aplicações de comunicação quântica.

“Nosso estudo vai além do laboratório, oferecendo insights valiosos sobre as aplicações práticas do GeV e outros defeitos do grupo IV em tecnologias quânticas”, disse Senkalla.

"Nossas simulações Ornstein-Uhlenbeck abrem caminho para esquemas de controle otimizados para GeV e defeitos semelhantes sob várias condições experimentais. O impacto potencial se estende a indústrias como Amazon Web Services (AWS), explorando redes quânticas baseadas em defeitos do grupo IV como SiV."

O recente estudo de Senkalla e seus colegas poderá eventualmente contribuir para o avanço dos sistemas de comunicação quântica, bem como para várias indústrias que podem se beneficiar de tecnologias quânticas de alto desempenho. Enquanto isso, os pesquisadores planejam continuar explorando o potencial dos defeitos do diamante GeV como nós de redes quânticas.

“Expandindo nossa exploração do GeV e seu potencial como um nó de rede quântica, estamos incorporando ativamente o GeV em uma rede quântica real”, disse Senkalla.

“Nossa equipe em Ulm está no processo de construção de configurações experimentais para servir como nós adicionais nesta rede quântica, alinhando-se com nossa visão de Ulm se tornar o local demonstrador de uma rede quântica centrada em defeitos do grupo IV na Alemanha.”

Em seus próximos estudos, os pesquisadores planejam incorporar GeVs em cavidades nanofotônicas, ao mesmo tempo que abordam os spins nucleares circundantes. Essas duas etapas são cruciais para o aumento de escala das redes quânticas.

“A primeira dessas etapas aumenta nossa taxa de fótons e, portanto, a taxa de emaranhamento, e a última permite a implementação de protocolos de correção quântica de erros, um passo importante para alcançar a computação quântica tolerante a falhas”, acrescentou Senkalla.

"Estamos em uma jornada emocionante e ansiosos para levar nossa pesquisa ainda mais longe."

Mais informações: Katharina Senkalla et al, Vacância de germânio na memória quântica de diamante excedendo 20 ms, Cartas de revisão física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.026901. No arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.09666
Informações do diário: Cartas de revisão física , arXiv

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