Diamant-Quantenspeicher mit Germanium-Vakanzen übersteigt die Kohärenzzeit von 20 ms.

16. Februar 2024 Feature

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von Ingrid Fadelli , Phys.org

Die Farbzentren von Diamanten stehen aufgrund ihres Potenzials für die Entwicklung von Quantentechnologien immer stärker im Fokus von Forschungsstudien. Einige Werke haben insbesondere die Verwendung von negativ geladenen Gruppe-IV-Fehlstellen in Diamanten untersucht, die eine effiziente Spin-Photon-Schnittstelle aufweisen und als Knotenpunkte von Quantennetzwerken dienen können.

Forscher an der Universität Ulm in Deutschland haben kürzlich ein Germanium-Vakanz (GeV)-Zentrum in Diamanten genutzt, um einen Quantenspeicher zu realisieren. Der resultierende Quantenspeicher, der in einem Artikel der Physical Review Letters vorgestellt wurde, wies eine vielversprechende Kohärenzzeit von über 20 ms auf.

"Der Schwerpunkt unserer Forschungsgruppe liegt auf der Erforschung von Farbzentren in Diamanten für quantenbasierte Anwendungen", sagte Katharina Senkalla, Mitautorin des Artikels, zu Phys.org. "Bislang war das beliebteste Defektzentrum in Diamanten das Stickstoff-Vakanz-Zentrum, aber neuerdings sind auch andere Farbzentren Gegenstand der Forschung. Diese bestehen aus einem Element aus der IV. Gruppe des Periodensystems - Si, Ge, Sn oder Pb - sowie einer Leerstelle im Gitter (d.h. ein fehlendes benachbartes Kohlenstoffatom)".

Gruppe-IV-Farbzentren weisen eine wesentlich stärkere Emission in der Null-Phononen-Linie auf als bisher verwendete Stickstoff-Vakanz-Zentren. Zudem sind diese Zentren aufgrund ihrer Inversionssymmetrie gut geeignet für die Integration in nanophotonische Geräte, ein wichtiger Schritt für ein effizientes skalierbares Quantennetzwerk auf Basis von festkörperbasierten einzelnen Photonquellen.

"Unser Ziel ist es, erhebliche Beiträge zur Entwicklung von Quantennetzwerken zu leisten, die die Quantenkommunikation über weite Strecken und das verteilte Quantencomputing ermöglichen", sagte Senkalla. "Im Bereich des Quantennetzwerks ist ein entscheidender Aspekt der Quantennetzwerk-Knotenpunkt, der eine effiziente Spin-Photon-Schnittstelle und eine verlängerte Speicherzeit erfordert".

Die Forschungsgruppe an der Universität Ulm erkundet bereits seit einiger Zeit das Potenzial von Gruppe-IV-Defekten als Kandidaten für Quantennetzwerkknotenpunkte, wobei sie sich kürzlich auf das GeV-Zentrum konzentriert hat. Diese ganz bestimmten Defekte weisen eine inhärente Effizienz in der Spin-Photon-Schnittstelle auf, die durch einen hochkohärenten Fluss von Photonen charakterisiert wird.

Ein solcher hochkohärenter Photonenfluss ist ein entscheidendes Element, um eine effektive Quantenkommunikation über weite Strecken zu ermöglichen. Dennoch müssen verschiedene Herausforderungen bewältigt werden, um Quantensysteme mit Gruppe-IV-Diamantdefekten zu realisieren.

"Diese Defekte stehen vor Herausforderungen im Zusammenhang mit verlängerten Speicherzeiten aufgrund von phonon-vermittelten Relaxationen, die die Kohärenz und die Speicherzeit beeinflussen", erklärte Senkalla. "Unsere jüngste Arbeit konzentriert sich darauf, diese entscheidende Herausforderung anzugehen und die Entwicklung robuster Quantennetzwerkknotenpunkte voranzutreiben. Mit unseren Bemühungen streben wir an, diese Herausforderungen zu überwinden und einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung von Quantentechnologien zu leisten".

Das von Senkalla und ihren Kollegen entwickelte System nutzt ein GeV als Quantenspeicher-Element. Um den mit der Entwicklung quantenbasierter Systeme auf Gruppe-IV-Defekten verbundenen Herausforderungen entgegenzuwirken, haben die Forscher eine zweifache Strategie angewandt.

Der erste Teil dieser Strategie zielt darauf ab, den nachteiligen Einfluss von Phononen auf die Quanteninformation zu mindern. Tatsächlich können Gruppe-IV-Defekte leicht mit Phononen gekoppelt werden, was zur Zerstörung der Quanteninformation führen kann.

"Um diese Herausforderung zu bewältigen, haben wir einen Verdünnungskühlschrank (DR) eingesetzt, ein ausgeklügeltes Gerät, das häufig für anspruchsvolle Experimente im Bereich des Quantencomputings verwendet wird, beispielsweise in den Quantencomputing-Experimenten von IBM. Es kann Temperaturen im Bereich von wenigen Hundert Millikelvin erzeugen", sagte Senkalla.

"Der zweite Teil unseres Ansatzes hingegen befasst sich mit der Entkopplung von Spin-Rauschen und der Optimierung der Informationsspeicherung. Durch den Betrieb in diesem niedrigen Temperaturbereich wurde Spin-Rauschen als Hauptfaktor für die Dekohärenz identifiziert. Um die Speicherzeiten zu verlängern und die Quanteninformation zu schützen, haben wir eine sorgfältige Spin-Rephasing mit Mikrowellenimpulsen und zu strategisch gewählten Zeitintervallen implementiert, in denen Berechnungen durchgeführt werden können".

Ein weiterer Aspekt, den Senkalla und ihre Kollegen bei der Entwicklung ihres Quantenspeichers berücksichtigen mussten, war das Management der durch jede Kontrollimpulserzeugung eingeführten Wärmebelastung. Tatsächlich haben Verdünnungskühlschränke eine begrenzte Kühlkapazität, und das Überschreiten dieser Kapazität könnte die Temperatur erhöhen und somit die Erzeugung von Phononen erleichtern, was wiederum zur Dekohärenz führen könnte.

'Developing an optimized pulse sequence involved employing the Ornstein-Uhlenbeck process, a noise modeling technique capturing the system's dynamics,' Senkalla said.

'The Ornstein-Uhlenbeck simulations provided important insights into noise dynamics, enabling the finding of sequences that delicately balanced spin refocusing, computational intervals and the management of experimental heat load.'

The researchers tested their proposed quantum memory in both experiments and simulations. Notably, the results they achieved in simulations were closely aligned with the experimental data.

'Ours is the first successful demonstration of efficient spin control for the germanium vacancy (GeV) at millikelvin temperatures,' Senkalla said. 'The comprehensive methodology we introduced, with relevance beyond GeV, holds potential for advancing quantum memory performance across diverse experimental conditions and other group IV defects.'

The design underpinning the researchers' proposed quantum memory is relatively simple and could be replicated using other group IV defects beyond GeVs. This design was ultimately found to extend the coherence times of GeV-based memories by a factor of up to 45, reaching a record coherence time of 20 milliseconds.

The remarkable findings presented in the paper highlight the potential of GeV defects for developing quantum network-based systems. In the future, this work could inspire the greater use of group-IV defects for quantum communication applications.

'Our study extends beyond the lab, offering valuable insights into the practical applications of GeV and other group-IV defects in quantum technologies,' Senkalla said.

'Our Ornstein-Uhlenbeck simulations pave the way to optimized control schemes for GeV and similar defects under various experimental conditions. The potential impact extends to industries like Amazon Web Services (AWS), exploring quantum networks based on group IV defects like SiV.'

The recent study by Senkalla and her colleagues could eventually contribute to the advancement of quantum communication systems, as well as various industries that may benefit from highly performing quantum technologies. Meanwhile, the researchers plan to continue exploring the potential of GeV diamond defects as quantum network nodes.

'Expanding on our exploration of the GeV and its potential as a quantum network node, we are actively incorporating GeV into an actual quantum network,' Senkalla said.

'Our team in Ulm is in the process of constructing experimental setups to serve as additional nodes in this quantum network, aligning with our vision for Ulm to become the demonstrator location for a quantum network centered on group IV defects in Germany.'

In their upcoming studies, the researchers plan to incorporate GeVs into nanophotonic cavities, while also addressing surrounding nuclear spins. These two steps are both crucial for the upscaling of quantum networks.

'The first of these steps enhances our photon rate and thus the entanglement rate and the latter enables the implementation of quantum error correction protocols, an important step toward achieving fault-tolerant quantum computing,' Senkalla added.

'We are on an exciting journey and looking forward to push our research further.'

Journal information: Physical Review Letters , arXiv

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