La memoria cuántica de diamante con vacancias de germanio supera el tiempo de coherencia de 20 ms.

16 de febrero de 2024

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por Ingrid Fadelli , Phys.org

Los centros de color del diamante están siendo objeto de un número creciente de estudios de investigación debido a su potencial para desarrollar tecnologías cuánticas. Algunos trabajos han explorado especialmente el uso de los defectos de diamante con carga negativa del grupo IV, que muestran una interfaz eficiente entre el espín y el fotón, como nodos de redes cuánticas.

Investigadores de la Universidad de Ulm en Alemania aprovecharon recientemente un centro de vacancia de germanio (GeV) en el diamante para lograr una memoria cuántica. La memoria cuántica resultante, presentada en un artículo de Physical Review Letters, mostró un tiempo de coherencia prometedor de más de 20 ms.

"El enfoque principal de nuestro grupo de investigación es la exploración de los centros de color del diamante para aplicaciones cuánticas", dijo Katharina Senkalla, coautora del artículo, a Phys.org. "Hasta ahora, el defecto más popular del diamante ha sido el centro de nitrógeno-vacancia, pero, recientemente, otros centros de color también se han convertido en objeto de investigación. Estos consisten en un elemento de la columna IV de la tabla periódica: Si, Ge, Sn o Pb, y una vacancia de la red (es decir, un átomo de carbono faltante en el vecino siguiente)".

Se ha descubierto que los centros de color del grupo IV exhiben emisiones mucho más fuertes en la línea de cero fonones que los centros de nitrógeno-vacancia utilizados previamente. Además, la simetría de inversión de estos centros los hace adecuados para la integración en dispositivos nanofotónicos, un paso importante para una red cuántica escalable eficiente basada en fuentes sólidas de fotones individuales.

"Nuestro objetivo es aportar 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 requiere una interfaz espín-fotón eficiente y tiempos de memoria prolongados".

El grupo de investigación de la Universidad de Ulm ha estado explorando el potencial de los defectos del grupo IV como candidatos para nodos de red cuántica durante algún tiempo, centrando recientemente su atención en el centro GeV. Estos defectos particulares tienen una eficiencia inherente en la interfaz espín-fotón, que se caracteriza por un flujo altamente coherente de fotones.

Un flujo coherente de fotones es un elemento crucial para permitir una comunicación cuántica efectiva a larga distancia. Sin embargo, realizar sistemas cuánticos utilizando defectos de diamante del grupo IV implica superar varios desafíos.

"Estos defectos enfrentan obstáculos relacionados con tiempos de memoria prolongados debido a la relajación mediada por fonones, lo que afecta a la coherencia y al tiempo de memoria", explicó Senkalla. "Nuestro trabajo reciente se centra en abordar este desafío fundamental, impulsando el desarrollo de nodos de red cuántica 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 centro 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 utilizaron una estrategia bifásica.

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 los fonones, lo que puede destruir la información cuántica.

"Para superar este desafío, utilizamos un refrigerador de dilución (DR), un dispositivo sofisticado ampliamente utilizado en experimentos sofisticados de computación cuántica, por ejemplo, en los experimentos de computación cuántica de IBM. Puede preparar temperaturas en el rango de varios cientos de milikelvin", dijo Senkalla.

"La segunda parte de nuestro enfoque, por otro lado, aborda la desacoplación del ruido de espín y la optimización del almacenamiento de información. Operar en ese rango de temperatura tan bajo reveló el ruido de espín como el factor primario en la decoherencia. Para prolongar los tiempos de memoria y proteger la información cuántica, implementamos una meticulosa refocalización de espín con pulsos de microondas y en intervalos de tiempo estratégicamente elegidos 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 térmica introducida con cada pulso de control. De hecho, los refrigeradores de dilución tienen una capacidad de enfriamiento limitada, y superar esta capacidad limitada podría elevar la temperatura y facilitar así la generación de fonones, lo que a su vez podría provocar decoherencia.

'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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