La memoria quantistica di diamante con la lacuna del Germanio supera il tempo di coerenza di 20 ms.

16 febbraio 2024 caratteristica

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

I centri colorati del diamante sono l'oggetto di un numero crescente di studi di ricerca, grazie al loro potenziale nello sviluppo delle tecnologie quantistiche. Alcuni lavori hanno esplorato in particolare l'uso dei difetti al diamante a carica negativa del gruppo IV, che mostrano un'efficiente interfaccia spin-fotone, come i nodi delle reti quantistiche.

Ricercatori dell'Università di Ulm in Germania hanno recentemente utilizzato un centro Germanium vacancy (GeV) nel diamante per realizzare una memoria quantistica. La memoria quantistica risultante, presentata in un articolo su Physical Review Letters, è stata trovata ad avere un tempo di coerenza promettente di oltre 20 ms.

'Il focus principale del nostro gruppo di ricerca è l'esplorazione dei centri colorati del diamante per applicazioni quantistiche,' ha detto Katharina Senkalla, co-autrice del documento, a Phys.org. 'Il difetto più popolare del diamante finora è stato il centro azoto-vuoto, ma recentemente altri centri colorati sono diventati oggetto di ricerca. Questi consistono in un elemento della colonna IV della tavola periodica - Si, Ge, Sn o Pb - e una lacuna del reticolo (cioè un atomo di carbonio mancante tra vicini successivi).

Si è scoperto che i centri colorati del gruppo IV hanno emissioni molto più intense nella linea a zero fononi rispetto ai centri azoto-vuoto precedentemente impiegati. Inoltre, la simmetria di inversione di questi centri li rende adatti all'integrazione in dispositivi nanofotonici, un passo importante per una rete quantistica scalabile ed efficiente basata su fonti di fotoni singoli a stato solido.

'Il nostro obiettivo è contribuire in modo significativo allo sviluppo di reti quantistiche che facilitino la comunicazione quantistica a lunga distanza e il calcolo quantistico distribuito,' ha detto Senkalla. 'Nel campo delle reti quantistiche, un aspetto cruciale è il nodo della rete quantistica, che richiede un'efficiente interfaccia spin-fotone e tempi di memoria estesi.'

Il gruppo di ricerca dell'Università di Ulm ha esplorato per un po' di tempo il potenziale dei difetti IV di gruppo come candidati per i nodi della rete quantistica, concentrandosi recentemente sul centro GeV. Questi particolari difetti hanno un'efficienza intrinseca nell'interfaccia spin-fotone, che è caratterizzata da un flusso altamente coerente di fotoni.

Un flusso coerente di fotoni è un elemento cruciale per consentire una comunicazione quantistica efficace su lunghe distanze. Tuttavia, realizzare sistemi quantistici utilizzando i difetti del diamante del gruppo IV comporta il superamento di varie sfide.

'Questi difetti incontrano ostacoli legati ai tempi di memoria estesi dovuti al rilassamento mediato dai fononi, che incidono sulla coerenza e sui tempi di memoria,' ha spiegato Senkalla. 'Il nostro lavoro recente è incentrato nel rispondere a questa sfida cruciale, facendo progredire lo sviluppo di nodi robusti per reti quantistiche. Attraverso i nostri sforzi, ambiamo a superare questi ostacoli e contribuire in modo significativo all'avanzamento delle tecnologie quantistiche.'

Il sistema sviluppato da Senkalla e i suoi colleghi utilizza un GeV come elemento di memoria quantistica. Per superare le sfide comuni associate allo sviluppo di sistemi quantistici basati su difetti del gruppo IV, i ricercatori hanno adottato una strategia a doppio binario.

La prima parte di questa strategia mira a mitigare l'impatto negativo dei fononi sulle informazioni quantistiche. Infatti, i difetti del gruppo IV possono facilmente accoppiarsi con i fononi, che possono distruggere le informazioni quantistiche.

'Per superare questa sfida, abbiamo utilizzato un refrigeratore a diluizione (DR), un sofisticato dispositivo ampiamente utilizzato per esperimenti sofisticati di calcolo quantistico ad esempio negli esperimenti di calcolo quantistico di IBM. Può raggiungere temperature nell'intervallo di qualche centinaio di millikelvin,' ha detto Senkalla.

'La seconda parte del nostro approccio, d'altra parte, affronta lo scollegamento dal rumore di spin e l'ottimizzazione dello stoccaggio delle informazioni. Operando a questa bassa temperatura, il rumore di spin si è rivelato il fattore primario nella decoerenza. Per prolungare i tempi di memoria e proteggere le informazioni quantistiche, abbiamo implementato un attento riposizionamento dello spin con impulsi a microonde e a intervalli di tempo strategicamente scelti in cui possono essere eseguite operazioni di calcolo.'

Un altro aspetto che Senkalla e i suoi colleghi hanno dovuto considerare nello sviluppo della loro memoria quantistica è stata la gestione del carico termico introdotto con ogni impulso di controllo. Infatti, i refrigeratori a diluizione hanno una capacità di raffreddamento limitata e superare questa capacità limitata potrebbe innalzare la temperatura e facilitare la generazione di fononi, che a loro volta potrebbero causare decoerenza.

'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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