Nel caso delle reti quantistiche, i centri di colore nel diamante, che sono difetti aggiunti intenzionalmente a un cristallo di diamante, sono cruciali per generare e mantenere stati quantistici stabili su lunghe distanze.

Quando stimolati dalla luce esterna, questi centri colorati nel diamante emettono fotoni che trasportano informazioni sui loro stati elettronici interni, in particolare sugli stati di spin. L'interazione tra i fotoni emessi e gli stati di spin dei centri di colore consente il trasferimento delle informazioni quantistiche tra diversi nodi nelle reti quantistiche.

Un noto esempio di centri di colore nel diamante è il centro di azoto vacante (NV), dove un atomo di azoto viene aggiunto adiacente agli atomi di carbonio mancanti nel reticolo del diamante. Tuttavia, i fotoni emessi dai centri di colore NV non hanno frequenze ben definite e sono influenzati dalle interazioni con l'ambiente circostante, rendendo difficile mantenere un sistema quantistico stabile.

Per risolvere questo problema, un gruppo internazionale di ricercatori, tra cui il professore associato Takayuki Iwasaki del Tokyo Institute of Technology, ha sviluppato un singolo centro di posti vacanti di piombo (PbV) caricato negativamente nel diamante, dove un atomo di piombo è inserito tra i posti vacanti vicini in un cristallo di diamante. .

Nello studio pubblicato sulla rivista Physical Review Letters il 15 febbraio 2024, i ricercatori rivelano che il centro PbV emette fotoni di frequenze specifiche che non sono influenzate dall'energia vibrazionale del cristallo. Queste caratteristiche rendono i fotoni vettori affidabili di informazioni quantistiche per reti quantistiche su larga scala.

Per stati quantistici stabili e coerenti, il fotone emesso deve essere limitato in trasformazione, il che significa che dovrebbe avere la minima diffusione possibile nella sua frequenza. Inoltre, dovrebbe avere un'emissione nella linea zero-fononica (ZPL), il che significa che l'energia associata all'emissione di fotoni viene utilizzata solo per modificare la configurazione elettronica del sistema quantistico e non scambiata con i modi vibrazionali del reticolo (fononi) nel reticolo cristallino.

Per fabbricare il centro PbV, i ricercatori hanno introdotto ioni di piombo sotto la superficie del diamante attraverso l’impianto ionico. È stato quindi effettuato un processo di ricottura per riparare eventuali danni causati dall'impianto di ioni di piombo. Il centro PbV risultante mostra un sistema di spin 1/2, con quattro stati energetici distinti con lo stato fondamentale e lo stato eccitato divisi in due livelli energetici.

Durante la fotoeccitazione del centro PbV, le transizioni elettroniche tra i livelli energetici hanno prodotto quattro ZPL distinti, classificati dai ricercatori come A, B, C e D in base all'energia decrescente delle transizioni associate. Tra questi, è stato riscontrato che la transizione C ha una larghezza di linea limitata dalla trasformazione di 36 MHz.

"Abbiamo studiato le proprietà ottiche dei singoli centri PbV sotto eccitazione risonante e abbiamo dimostrato che la transizione C, uno degli ZPL, raggiunge quasi il limite di trasformazione a 6,2 K senza un rilassamento e una diffusione spettrale indotti dai fononi", afferma il dott. Iwasaki. .

Il centro PbV si distingue per essere in grado di mantenere la sua larghezza di linea a circa 1,2 volte il limite di trasformazione a temperature fino a 16 K. Ciò è importante per ottenere circa l'80% di visibilità nell'interferenza di due fotoni. Al contrario, i centri di colore come SiV, GeV e SnV devono essere raffreddati a temperature molto più basse (da 4 K a 6 K) per condizioni simili.

Generando fotoni ben definiti a temperature relativamente elevate rispetto ad altri centri di colore, il centro PbV può funzionare come un'efficiente interfaccia quantistica luce-materia, che consente alle informazioni quantistiche di essere trasportate a lunghe distanze dai fotoni tramite fibre ottiche.

"Questi risultati possono aprire la strada affinché il centro PbV diventi un elemento fondamentale per costruire reti quantistiche su larga scala", conclude il dott. Iwasaki.