[논문] 대규모 양자 네트워크를 위한 빌딩 블록인 다이아몬드의 납 공석 센터

전기 회로가 구성 요소를 사용하여 전자 신호를 제어하는 ​​방식과 마찬가지로 양자 네트워크는 특수 구성 요소와 노드를 사용하여 여러 지점 간에 양자 정보를 전송하여 양자 시스템 구축을 위한 기반을 형성합니다.

의 경우 양자 네트워크다이아몬드 결정에 의도적으로 추가된 결함인 다이아몬드의 색상 중심은 장거리에 걸쳐 안정적인 양자 상태를 생성하고 유지하는 데 중요합니다.

외부 빛에 의해 자극을 받으면 다이아몬드의 이러한 색상 센터는 내부 전자 상태, 특히 스핀 상태에 대한 정보를 전달하는 광자를 방출합니다. 방출된 광자와 색상 중심의 스핀 상태 사이의 상호 작용을 통해 양자 네트워크의 서로 다른 노드 간에 양자 정보를 전송할 수 있습니다.

다이아몬드 색상 중심의 잘 알려진 예는 질소공극(NV) 중심입니다. 질소 원자 다이아몬드 격자에서 누락된 탄소 원자 옆에 추가됩니다. 그러나 NV 컬러 센터에서 방출되는 광자는 주파수가 잘 정의되지 않고 주변 환경과의 상호 작용에 영향을 받기 때문에 안정적인 양자 시스템을 유지하기가 어렵습니다.

이 문제를 해결하기 위해 Tokyo Institute of Technology의 Takayuki Iwasaki 부교수를 포함한 국제 연구자 그룹은 다이아몬드 결정의 인접한 공극 사이에 납 원자가 삽입되는 다이아몬드의 단일 음전하 납 공극(PbV) 센터를 개발했습니다. .

저널에 발표된 연구에서 실제 검토 편지 2024년 2월 15일, 연구원들은 PbV 센터가 결정의 영향을 받지 않는 특정 주파수의 광자를 방출한다는 사실을 밝혔습니다. 진동 에너지. 이러한 특성으로 인해 광자는 대규모 양자 네트워크에 대한 양자 정보의 신뢰할 수 있는 캐리어가 됩니다.

안정적이고 일관된 양자 상태를 위해 방출된 광자는 변환이 제한되어야 하며, 이는 주파수에서 가능한 최소 확산을 가져야 함을 의미합니다. 또한 ZPL(제로 포논 라인)으로 방출되어야 합니다. 즉, 광자 방출과 관련된 에너지는 양자 시스템의 전자 구성을 변경하는 데만 사용되며 진동 격자 모드(포논)와 교환되지 않습니다. 결정 격자에서.

PbV 센터를 제작하기 위해 연구진은 이온 주입을 통해 다이아몬드 표면 아래에 납 이온을 도입했습니다. 그런 다음 납 이온 주입으로 인한 손상을 복구하기 위해 어닐링 공정을 수행했습니다. 결과적인 PbV 센터는 지면과 들뜬 상태가 두 개의 에너지 수준으로 분할된 네 가지 서로 다른 에너지 상태를 갖는 스핀 1/2 시스템을 나타냅니다.

PbV 중심의 광여기에서 전자는 에너지 수준 연구진은 관련 전이의 감소하는 에너지를 기반으로 A, B, C 및 D로 분류한 4개의 서로 다른 ZPL을 생성했습니다. 이 중에서 C 전이는 36MHz의 변환 제한 선폭을 갖는 것으로 밝혀졌습니다.

“우리는 공진 여기 하에서 단일 PbV 센터의 광학적 특성을 조사했으며 ZPL 중 하나인 C-전이가 눈에 띄는 포논 유발 완화 및 스펙트럼 확산 없이 6.2K에서 거의 변환 한계에 도달한다는 것을 입증했습니다.”라고 Iwasaki 박사는 말합니다. .

PbV 센터는 16K의 높은 온도에서 변환 한계의 약 1.2배로 선폭을 유지할 수 있다는 점에서 두드러집니다. 이는 2광자 간섭에서 약 80%의 가시성을 달성하는 데 중요합니다. 대조적으로, SiV, GeV, SnV와 같은 컬러 센터는 훨씬 더 냉각되어야 합니다. 더 낮은 온도 (4K ~ 6K) 유사한 조건의 경우.

다른 제품에 비해 상대적으로 높은 온도에서 잘 정의된 광자를 생성함으로써 컬러 센터PbV 센터는 효율적인 양자 광물질 인터페이스로 기능할 수 있습니다. 양자정보 장거리 운반을 위해 광자 광섬유를 통해.

이와사키 박사는 “이러한 결과는 PbV 센터가 대규모 양자 네트워크를 구축하기 위한 빌딩 블록이 될 수 있는 길을 열어줄 수 있습니다”라고 결론지었습니다.