La mémoire quantique à base de diamant avec une lacune de germanium dépasse le temps de cohérence de 20 ms.

16 février 2024 feature

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Les centres de couleur du diamant sont l'objet d'un nombre croissant d'études de recherche, en raison de leur potentiel pour le développement de technologies quantiques. Certains travaux ont notamment exploré l'utilisation de défauts de diamant chargés négativement du groupe IV, qui présentent une interface spin-photon efficace, en tant que nœuds de réseaux quantiques.

Récemment, des chercheurs de l'Université d'Ulm en Allemagne ont utilisé un centre de lacune allemandium (GeV) dans le diamant pour réaliser une mémoire quantique. La mémoire quantique résultante, présentée dans un article de Physical Review Letters, s'est révélée présenter un temps de cohérence prometteur de plus de 20 ms.

'Le principal objectif de notre groupe de recherche est l'exploration des centres de couleur du diamant pour des applications quantiques', a déclaré Katharina Senkalla, co-auteure de l'article, à Phys.org. 'Jusqu'à présent, le défaut le plus populaire du diamant a été le centre azote-lacune, mais récemment, d'autres centres de couleur ont également été au centre de la recherche. Ils se composent d'un élément de la colonne IV du tableau périodique - Si, Ge, Sn ou Pb - et d'une lacune de réseau (c'est-à-dire un atome de carbone manquant parmi les voisins proches).'

On a découvert que les centres de couleur du groupe IV émettaient des lignes sans phonons beaucoup plus fortes que les centres azote-lacune précédemment utilisés. De plus, la symétrie d'inversion de ces centres les rend bien adaptés à l'intégration dans des dispositifs nanophotoniques - une étape importante pour un réseau quantique évolutif et efficace basé sur des sources de photons uniques à l'état solide.

'Notre objectif est de contribuer de manière significative au développement de réseaux quantiques permettant la communication quantique à longue distance et l'informatique quantique distribuée', a déclaré Senkalla. 'Dans le domaine des réseaux quantiques, un aspect crucial est le nœud du réseau quantique, qui exige une interface spin-photon efficace et des temps de mémoire prolongés.'

Le groupe de recherche de l'Université d'Ulm explore depuis un certain temps déjà le potentiel des défauts du groupe IV en tant que candidats pour les nœuds du réseau quantique, en se concentrant récemment sur le centre GeV. Ces défauts particuliers ont une efficacité inhérente dans l'interface spin-photon, caractérisée par un flux hautement cohérent de photons.

Un tel flux cohérent de photons est un élément crucial pour permettre une communication quantique efficace sur de longues distances. Néanmoins, la réalisation de systèmes quantiques à l'aide de défauts de diamant du groupe IV implique de surmonter divers défis.

'Ces défauts rencontrent des obstacles liés à l'extension des temps de mémoire en raison de la relaxation médiée par les phonons, ce qui a un impact sur la cohérence et le temps de mémoire', explique Senkalla. 'Nos travaux récents visent à relever ce défi crucial, en faisant progresser le développement de nœuds de réseau quantique robustes. Grâce à nos efforts, nous aspirons à surmonter ces obstacles et à contribuer de manière significative à l'avancement des technologies quantiques.'

Le système développé par Senkalla et ses collègues utilise un GeV en tant qu'élément de mémoire quantique. Pour surmonter les défis couramment associés au développement de systèmes quantiques basés sur les défauts du groupe IV, les chercheurs ont adopté une stratégie en deux temps.

La première partie de cette stratégie vise à atténuer l'impact négatif des phonons sur l'information quantique. En effet, les défauts du groupe IV peuvent facilement se coupler avec les phonons, ce qui peut détruire l'information quantique.

'Pour relever ce défi, nous avons utilisé un réfrigérateur à dilution (DR), un dispositif sophistiqué largement utilisé pour des expériences de calcul quantique sophistiquées, par exemple dans les expériences de calcul quantique d'IBM. Il peut atteindre des températures de l'ordre de quelques centaines de millikelvins', explique Senkalla.

'La deuxième partie de notre approche, en revanche, vise à atténuer le bruit de spin et à optimiser le stockage de l'information. Le fonctionnement à une température aussi basse a révélé le bruit de spin comme étant le facteur principal de décohérence. Pour prolonger les temps de mémoire et protéger l'information quantique, nous avons mis en place une refocalisation minutieuse du spin avec des impulsions micro-ondes, à des intervalles temporels stratégiquement choisis dans lesquels des opérations de calcul peuvent être effectuées.'

Un autre aspect que Senkalla et ses collègues ont dû prendre en compte lors du développement de leur mémoire quantique était la gestion de la charge thermique introduite à chaque impulsion de contrôle. En effet, les réfrigérateurs à dilution ont une capacité de refroidissement limitée, et dépasser cette capacité limitée pourrait augmenter la température et faciliter ainsi la génération de phonons, ce qui pourrait à son tour entraîner une décohérence.

'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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