Los centros de color del diamante son el foco de un número cada vez mayor de estudios de investigación, debido a su potencial para el desarrollo de tecnologías cuánticas. Algunos trabajos han explorado particularmente el uso de defectos de diamantes del grupo IV cargados negativamente, que exhiben una eficiente interfaz espín-fotón, como nodos de redes cuánticas.
Investigadores de la Universidad de Ulm (Alemania) aprovecharon recientemente un centro de vacantes de germanio (GeV) en diamantes para crear una memoria cuántica. La memoria cuántica resultante, presentada en Physical Review Letters artículo, mostró un tiempo de coherencia prometedor de más de 20 ms.
"El enfoque principal de nuestro grupo de investigación es la exploración de centros de color de diamantes para aplicaciones cuánticas", dijo a Phys.org Katharina Senkalla, coautora del artículo. "El defecto más popular del diamante hasta ahora ha sido el centro de nitrógeno vacante, pero recientemente también se han convertido en foco de investigación otros centros de color. Estos consisten en un elemento de la columna IV de la tabla periódica:Si, Ge, Sn o Pb, y una vacante en la red (es decir, falta el átomo de carbono del vecino siguiente)".
Se ha descubierto que los centros de color del Grupo IV exhiben emisiones mucho más fuertes en la línea de fonón cero que los centros con vacantes de nitrógeno empleados anteriormente. Además, la simetría de inversión de estos centros los hace muy adecuados para la integración en dispositivos nanofotónicos, un paso importante para una red cuántica escalable eficiente basada en fuentes de fotón único de estado sólido.
"Nuestro objetivo es hacer contribuciones significativas al desarrollo de redes cuánticas que faciliten la comunicación cuántica a larga distancia y la computación cuántica distribuida", dijo Senkalla. "En el ámbito de las redes cuánticas, un aspecto crucial es el nodo de la red cuántica, que exige una interfaz eficiente de espín-fotón y tiempos de memoria extendidos".
El grupo de investigación de la Universidad de Ulm lleva tiempo explorando el potencial de los defectos del grupo IV como candidatos para nodos de redes cuánticas, centrándose recientemente en el centro GeV. Estos defectos particulares tienen una eficiencia inherente en la interfaz espín-fotón, que se caracteriza por un flujo de fotones altamente coherente.
Un flujo tan coherente de fotones es un elemento crucial para permitir una comunicación cuántica eficaz a largas distancias. Sin embargo, la realización de sistemas cuánticos utilizando defectos de diamante del grupo IV implica superar varios desafíos.
"Estos defectos encuentran obstáculos relacionados con tiempos de memoria prolongados debido a la relajación mediada por fonones, lo que afecta la coherencia y el tiempo de memoria", explicó Senkalla. "Nuestro trabajo reciente se centra en abordar este desafío fundamental, impulsando el desarrollo de nodos de redes cuánticas robustos. A través de nuestros esfuerzos, aspiramos a superar estos obstáculos y contribuir significativamente al avance de las tecnologías cuánticas".
El sistema desarrollado por Senkalla y sus colegas utiliza un GeV como elemento de memoria cuántica. Para superar los desafíos comúnmente asociados con el desarrollo de sistemas cuánticos basados en defectos del grupo IV, los investigadores emplearon una estrategia doble.
La primera parte de esta estrategia tiene como objetivo mitigar el impacto adverso de los fonones en la información cuántica. De hecho, los defectos del grupo IV pueden acoplarse fácilmente con fonones, que pueden destruir la información cuántica.
"Para superar este desafío, utilizamos un refrigerador de dilución (DR), un sofisticado dispositivo ampliamente utilizado para experimentos sofisticados de computación cuántica, por ejemplo, en los experimentos de computación cuántica de IBM. Puede preparar temperaturas en el rango de unos pocos cientos de mikelvin", dijo Senkalla. P>
"La segunda parte de nuestro enfoque, por otro lado, aborda el desacoplamiento del ruido de espín y la optimización del almacenamiento de información. Operar a un rango de temperatura tan bajo reveló que el ruido de espín es el factor principal en la decoherencia. Para prolongar los tiempos de memoria y proteger la información cuántica , implementamos un meticuloso reenfoque del espín con pulsos de microondas y en intervalos de tiempo elegidos estratégicamente en los que se pueden realizar operaciones computacionales".
Otro aspecto que Senkalla y sus colegas tuvieron que considerar al desarrollar su memoria cuántica fue la gestión de la carga de calor introducida con cada impulso de control. De hecho, los refrigeradores de dilución tienen una capacidad de enfriamiento limitada y exceder esta capacidad limitada podría elevar la temperatura y facilitar así la generación de fonones, lo que a su vez podría conducir a la decoherencia.
"El desarrollo de una secuencia de pulsos optimizada implicó emplear el proceso de Ornstein-Uhlenbeck, una técnica de modelado de ruido que captura la dinámica del sistema", dijo Senkalla.
"Las simulaciones de Ornstein-Uhlenbeck proporcionaron información importante sobre la dinámica del ruido, lo que permitió encontrar secuencias que equilibraban delicadamente el reenfoque del espín, los intervalos computacionales y la gestión de la carga de calor experimental".
Los investigadores probaron la memoria cuántica propuesta tanto en experimentos como en simulaciones. En particular, los resultados que lograron en las simulaciones estuvieron estrechamente alineados con los datos experimentales.
"La nuestra es la primera demostración exitosa de un control de espín eficiente para la vacante de germanio (GeV) a temperaturas de mikelvin", dijo Senkalla. "La metodología integral que introdujimos, con relevancia más allá de GeV, tiene potencial para mejorar el rendimiento de la memoria cuántica en diversas condiciones experimentales y otros defectos del grupo IV".
El diseño que sustenta la memoria cuántica propuesta por los investigadores es relativamente simple y podría replicarse utilizando otros defectos del grupo IV más allá de los GeV. Finalmente se descubrió que este diseño extendía los tiempos de coherencia de las memorias basadas en GeV en un factor de hasta 45, alcanzando un tiempo de coherencia récord de 20 milisegundos.
Los notables hallazgos presentados en el artículo resaltan el potencial de los defectos GeV para el desarrollo de sistemas cuánticos basados en redes. En el futuro, este trabajo podría inspirar un mayor uso de los defectos del grupo IV para aplicaciones de comunicación cuántica.
"Nuestro estudio se extiende más allá del laboratorio y ofrece información valiosa sobre las aplicaciones prácticas del GeV y otros defectos del grupo IV en las tecnologías cuánticas", afirmó Senkalla.
"Nuestras simulaciones de Ornstein-Uhlenbeck allanan el camino hacia esquemas de control optimizados para GeV y defectos similares en diversas condiciones experimentales. El impacto potencial se extiende a industrias como Amazon Web Services (AWS), que exploran redes cuánticas basadas en defectos del grupo IV como el SiV". /P>
El reciente estudio de Senkalla y sus colegas podría eventualmente contribuir al avance de los sistemas de comunicación cuántica, así como a varias industrias que pueden beneficiarse de las tecnologías cuánticas de alto rendimiento. Mientras tanto, los investigadores planean continuar explorando el potencial de los defectos de diamantes GeV como nodos de redes cuánticas.
"Ampliando nuestra exploración del GeV y su potencial como nodo de red cuántica, estamos incorporando activamente GeV en una red cuántica real", afirmó Senkalla.
"Nuestro equipo en Ulm está en el proceso de construir instalaciones experimentales que sirvan como nodos adicionales en esta red cuántica, alineándose con nuestra visión de que Ulm se convierta en el lugar de demostración de una red cuántica centrada en defectos del grupo IV en Alemania".
En sus próximos estudios, los investigadores planean incorporar GeV en cavidades nanofotónicas, al tiempo que abordan los espines nucleares circundantes. Estos dos pasos son cruciales para la ampliación de las redes cuánticas.
"El primero de estos pasos mejora nuestra tasa de fotones y, por tanto, la tasa de entrelazamiento, y el segundo permite la implementación de protocolos de corrección de errores cuánticos, un paso importante hacia la consecución de una computación cuántica tolerante a fallos", añadió Senkalla.
"Estamos en un viaje apasionante y esperamos seguir impulsando nuestra investigación".
Más información: Katharina Senkalla et al, Vacante de germanio en la memoria cuántica de diamante superior a 20 ms, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.026901. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.09666
Información de la revista: Cartas de revisión física , arXiv
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