I centri colorati del diamante sono al centro di un numero crescente di studi di ricerca, grazie al loro potenziale per lo sviluppo di tecnologie quantistiche. Alcuni lavori hanno esplorato in particolare l'uso di difetti del diamante del gruppo IV con carica negativa, che mostrano un'efficiente interfaccia spin-fotone, come i nodi delle reti quantistiche.
I ricercatori dell’Università di Ulm in Germania hanno recentemente sfruttato un centro di posti vacanti di germanio (GeV) nel diamante per realizzare una memoria quantistica. La memoria quantistica risultante, presentata in una Physical Review Letters articolo, si è scoperto che mostra un tempo di coerenza promettente di oltre 20 ms.
"L'obiettivo principale del nostro gruppo di ricerca è l'esplorazione dei centri di colore del diamante per applicazioni quantistiche", ha detto a Phys.org Katharina Senkalla, coautrice dell'articolo. "Il difetto più popolare del diamante finora è stato il centro di azoto vacante, ma, recentemente, anche altri centri di colore sono diventati al centro della ricerca. Questi consistono in un elemento della colonna IV della tavola periodica:Si, Ge, Sn o Pb e un posto vacante nel reticolo (vale a dire, manca l'atomo di carbonio vicino successivo)."
È stato scoperto che i centri di colore del Gruppo IV mostrano emissioni molto più forti nella linea a fononi zero rispetto ai centri di azoto vacante precedentemente utilizzati. Inoltre, la simmetria di inversione di questi centri li rende adatti per l'integrazione in dispositivi nanofotonici, un passo importante per un'efficiente rete quantistica scalabile basata su sorgenti a stato solido a singolo fotone.
"Il nostro obiettivo è fornire un contributo significativo allo sviluppo di reti quantistiche che facilitino la comunicazione quantistica a lunga distanza e il calcolo quantistico distribuito", ha affermato 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 prolungati."
Il gruppo di ricerca dell’Università di Ulm sta esplorando da tempo il potenziale dei difetti del gruppo IV 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 di fotoni altamente coerente.
Un flusso di fotoni così coerente è un elemento cruciale per consentire un’efficace comunicazione quantistica su lunghe distanze. Tuttavia, realizzare sistemi quantistici utilizzando difetti dei diamanti del gruppo IV comporta il superamento di varie sfide.
"Questi difetti incontrano ostacoli legati ai tempi di memoria estesi a causa del rilassamento mediato dai fononi, che influiscono sulla coerenza e sul tempo di memoria", ha spiegato Senkalla. "Il nostro recente lavoro è incentrato sull'affrontare questa sfida cruciale, portando avanti lo sviluppo di robusti nodi di rete quantistica. Attraverso i nostri sforzi, aspiriamo a superare questi ostacoli e a contribuire in modo significativo al progresso delle tecnologie quantistiche."
Il sistema sviluppato da Senkalla e dai suoi colleghi utilizza un GeV come elemento di memoria quantistica. Per superare le sfide comunemente associate ai sistemi quantistici basati su difetti del gruppo IV di sviluppo, i ricercatori hanno adottato una duplice strategia.
La prima parte di questa strategia mira a mitigare l’impatto negativo dei fononi sull’informazione quantistica. Infatti, i difetti del gruppo IV possono facilmente accoppiarsi con i fononi, che possono distruggere l'informazione quantistica.
"Per superare questa sfida, abbiamo utilizzato un frigorifero a diluizione (DR), un sofisticato dispositivo ampiamente utilizzato per sofisticati esperimenti di calcolo quantistico, ad esempio negli esperimenti di calcolo quantistico di IBM. Può preparare temperature nell'ordine di poche centinaia di millikelvin", ha affermato Senkalla.
"La seconda parte del nostro approccio, d'altra parte, affronta il disaccoppiamento dal rumore di spin e l'ottimizzazione della memorizzazione delle informazioni. Il funzionamento a un intervallo di temperature così basso ha rivelato che il rumore di spin è il fattore principale della decoerenza. Per prolungare i tempi di memoria e proteggere le informazioni quantistiche , abbiamo implementato una meticolosa rifocalizzazione dello spin con impulsi a microonde e a intervalli di tempo scelti strategicamente in cui è possibile eseguire operazioni computazionali."
Un ulteriore 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 frigoriferi a diluizione hanno una capacità di raffreddamento limitata, e il superamento di questa capacità limitata potrebbe aumentare la temperatura e quindi facilitare la generazione di fononi, che a loro volta potrebbero portare alla decoerenza.
"Lo sviluppo di una sequenza di impulsi ottimizzata ha comportato l'utilizzo del processo Ornstein-Uhlenbeck, una tecnica di modellazione del rumore che cattura le dinamiche del sistema", ha affermato Senkalla.
"Le simulazioni Ornstein-Uhlenbeck hanno fornito importanti informazioni sulla dinamica del rumore, consentendo di trovare sequenze che bilanciano delicatamente la rifocalizzazione dello spin, gli intervalli computazionali e la gestione del carico termico sperimentale."
I ricercatori hanno testato la memoria quantistica proposta sia in esperimenti che in simulazioni. In particolare, i risultati ottenuti nelle simulazioni erano strettamente allineati con i dati sperimentali.
"La nostra è la prima dimostrazione riuscita di un efficiente controllo dello spin per il posto vacante del germanio (GeV) a temperature millikelvin", ha affermato Senkalla. "La metodologia completa che abbiamo introdotto, con rilevanza oltre il GeV, ha il potenziale per migliorare le prestazioni della memoria quantistica in diverse condizioni sperimentali e altri difetti del gruppo IV."
Il progetto alla base della memoria quantistica proposta dai ricercatori è relativamente semplice e potrebbe essere replicato utilizzando altri difetti del gruppo IV oltre i GeV. Alla fine si è scoperto che questo progetto estende i tempi di coerenza delle memorie basate su GeV di un fattore fino a 45, raggiungendo un tempo di coerenza record di 20 millisecondi.
Gli straordinari risultati presentati nell’articolo evidenziano il potenziale dei difetti GeV per lo sviluppo di sistemi basati su reti quantistiche. In futuro, questo lavoro potrebbe ispirare un maggiore utilizzo dei difetti del gruppo IV per applicazioni di comunicazione quantistica.
"Il nostro studio si estende oltre il laboratorio, offrendo preziose informazioni sulle applicazioni pratiche di GeV e altri difetti del gruppo IV nelle tecnologie quantistiche", ha affermato Senkalla.
"Le nostre simulazioni Ornstein-Uhlenbeck aprono la strada a schemi di controllo ottimizzati per GeV e difetti simili in varie condizioni sperimentali. L'impatto potenziale si estende a settori come Amazon Web Services (AWS), che esplorano reti quantistiche basate su difetti del gruppo IV come SiV."
Il recente studio di Senkalla e dei suoi colleghi potrebbe eventualmente contribuire al progresso dei sistemi di comunicazione quantistica, nonché di vari settori che potrebbero trarre vantaggio da tecnologie quantistiche altamente performanti. Nel frattempo, i ricercatori intendono continuare a esplorare il potenziale dei difetti dei diamanti GeV come nodi di reti quantistiche.
"Espandendo la nostra esplorazione del GeV e del suo potenziale come nodo di una rete quantistica, stiamo incorporando attivamente GeV in una vera rete quantistica", ha affermato Senkalla.
"Il nostro team di Ulm sta costruendo configurazioni sperimentali che fungeranno da nodi aggiuntivi in questa rete quantistica, in linea con la nostra visione che Ulm diventi il luogo dimostrativo di una rete quantistica incentrata sui difetti del gruppo IV in Germania."
Nei loro prossimi studi, i ricercatori intendono incorporare i GeV nelle cavità nanofotoniche, affrontando anche gli spin nucleari circostanti. Questi due passaggi sono entrambi cruciali per l'upscaling delle reti quantistiche.
"Il primo di questi passaggi migliora la nostra velocità di fotoni e quindi il tasso di entanglement, mentre il secondo consente l'implementazione di protocolli di correzione degli errori quantistici, un passo importante verso il raggiungimento del calcolo quantistico tollerante ai guasti", ha aggiunto Senkalla.
"Stiamo intraprendendo un viaggio entusiasmante e non vediamo l'ora di portare avanti la nostra ricerca."
Ulteriori informazioni: Katharina Senkalla et al, Germanium Vacancy in Diamond Quantum Memory Exceeding 20 ms, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.026901. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.09666
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