La decoherencia es la pesadilla de las tecnologías cuánticas. En sistemas coherentes, la fase de las funciones de onda que representan los estados cuánticos de las partículas en el sistema tienen relaciones definidas entre sí. Esto permite que los dispositivos cuánticos funcionen de una manera significativa que difiere de los dispositivos clásicos. Sin embargo, interactuar con el mundo que nos rodea conduce rápidamente a la decoherencia, lo que dificulta la explotación de los efectos cuánticos para mejorar la eficiencia de la computación o la seguridad de las comunicaciones. La investigación ha demostrado que los sistemas cuánticos con tiempos de coherencia impresionantemente largos son posibles en el diamante, pero el diamante está lejos de ser el favorito de los fabricantes. Ahora, Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología en Hefei y la Universidad de Wuhan en China han demostrado que el SiC puede presumir de algunos de los méritos cuánticos del diamante con la ventaja adicional del control óptico en las longitudes de onda utilizadas por la industria de las telecomunicaciones.

Los defectos apreciados por las tecnologías cuánticas son los centros de vacantes de nitrógeno (NV), en el que un átomo de carbono en el diamante es reemplazado por un nitrógeno con un carbono faltante en el sitio de la red cristalina vecino. Lo que hace que este tipo de defecto sea interesante para las tecnologías cuánticas es que puede controlar sus estados de espín cuántico con luz y producir un entrelazamiento de espín de fotón con tiempos de coherencia prolongados. incluso a temperatura ambiente. Las dificultades surgen al intentar posicionar la tecnología en el mundo real frente al laboratorio. Las interacciones fotón-espín para los centros NV en el diamante necesitan luz en longitudes de onda visibles; las longitudes de onda de las telecomunicaciones son mucho más largas. Además, Estos dispositivos finamente diseñados necesitan ser pirateados de uno de los materiales más duros (y más caros) conocidos por el hombre, uno para el que la industria no ha establecido protocolos de nanofabricación.

Resulta que hay tipos de defectos en el SiC que también podrían ser útiles para las tecnologías cuánticas. El SiC se usa ampliamente en electrónica de potencia, por lo que ya existen vías comercialmente viables para producir dispositivos de SiC. Durante los últimos 10 años, Las vacantes y divacancias (donde uno o un par de átomos en la red están ausentes) en SiC comenzaron a atraer interés cuando los investigadores descubrieron que también podían controlar sus estados de espín con luz a temperatura ambiente con tiempos de coherencia prolongados. La observación de los centros NV en SiC realmente despertó interés, ya que estos eran ópticamente activos en las longitudes de onda utilizadas por la industria de las telecomunicaciones en contraposición a las longitudes de onda visibles más cortas necesarias para controlar los estados de giro de las vacantes y divacancias en SiC. "También nos interesó la cuestión de si los centros NV en el material técnico SiC pueden controlarse coherentemente como los del diamante, "dice Jin-Shi Xu, investigador de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, Hefei, Anhui y uno de los autores correspondientes en el informe de estos últimos resultados.

Implantación optimizada

Simplemente pulverizar una muestra con átomos de nitrógeno puede crear centros NV en SiC, ya que el impacto hace que los átomos de nitrógeno ocupen el lugar de los átomos del anfitrión y al mismo tiempo aparten a un átomo vecino del camino. Luego puede ver cómo se comportan los defectos creados y si pueden ser útiles para las tecnologías cuánticas midiendo diferentes respuestas ópticas, como resonancia magnética ópticamente detectable, fotoluminiscencia y líneas de fonón cero (donde la luz láser excita el estado del defecto sin dar o tomar energía de las vibraciones de la celosía).

Una complicación es que el impacto puede destruir muchos otros átomos del anfitrión, también, produciendo vacantes y divacancias no deseadas. Las divacancias pueden resultar particularmente incómodas, ya que se asemejan a los centros NV con algunas de las medidas ópticas. Además, No solo hay muchos tipos de centros NV con diferentes orientaciones dentro de la red cristalina, pero también muchos polimorfos de SiC. "Estábamos muy interesados ​​en los centros NV en 3C-SiC con ZPL [línea de teléfono cero] en el rango de telecomunicaciones de banda c, pero después de probar muchas muestras diferentes, todavía no pudimos detectar las ZPL correspondientes, ", dice Xu." Luego recurrimos al 4H-SiC y obtuvimos resultados emocionantes ".

Controlando la temperatura de recocido, Xu y su colega investigador de la USTC, Chuan-Feng Li, y sus colaboradores pudieron aumentar la señal de los centros NV con respecto a las divacancias. El ajuste de otros parámetros, como el tiempo de recocido, también ayudó a que pudieran aumentar la concentración de los centros de NV en un factor de seis. "Previamente, la gente no sabía si los centros de NV podrían aislarse, ", dice." Intentamos optimizar la fluencia y la temperatura del implante, y finalmente descubrimos que funcionaba ".

Con los parámetros de implantación optimizados, Luego, los investigadores probaron cuánto control óptico coherente tenían sobre el sistema de estado de espín. Cuando un sistema cuántico con dos estados disponibles se ilumina con luz a la frecuencia exactamente igual a la diferencia de energía entre los estados, el sistema cambiará de estado a una frecuencia característica. Al medir estas "oscilaciones Rabi, "los investigadores pudieron confirmar que tenían un control coherente sobre su sistema, y que esto dure con un tiempo de coherencia (T ₂ ) de 17,2 μs.

Los tiempos de coherencia observados son aún más cortos que los de los centros NV en el diamante donde una T ₂ de milisegundos. Sin embargo, compite con los tiempos de coherencia observados para las divacancias en SiC, con la ventaja adicional de operar en longitudes de onda de telecomunicaciones. Además, los investigadores ya tienen en mente estrategias que podrían aumentar aún más el tiempo de decoherencia, incluyendo una menor concentración de nitrógeno y la tecnología de desacoplamiento dinámico. El trabajo plantea un argumento "coherente" para futuras investigaciones de los centros NV en SiC para la computación cuántica.

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