由于钻石的色心具有发展量子技术的潜力，因此成为越来越多研究的焦点。一些工作特别探索了负电荷族iv金刚石缺陷的使用，它表现出有效的自旋光子界面，作为量子网络的节点。

德国乌尔姆大学的研究人员最近利用钻石中的锗空位(GeV)中心实现了量子存储器。由此产生的量子存储器发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)的一篇论文中，研究人员发现其相干时间有望超过20毫秒。

“我们研究小组的主要重点是探索钻石色中心的量子应用，”该论文的合著者卡塔琳娜·森卡拉告诉Phys.org。到目前为止，金刚石最受欢迎的缺陷是氮空位中心，但最近，其他颜色中心也成为研究的焦点。这些元素包括元素周期表IV列的元素si, Ge, Sn或Pb，以及晶格空位(即缺少邻接的碳原子)。”

iv族色中心在零声子线上比以前使用的氮空位中心表现出更强的发射。此外，这些中心的反转对称性使它们非常适合集成在纳米光子器件中，这是基于固态单光子源的高效可扩展量子网络的重要一步。

“我们的目标是为量子网络的发展做出重大贡献，促进远距离量子通信和分布式量子计算，”森卡拉说。“在量子网络领域，一个关键的方面是量子网络节点，它需要一个有效的自旋光子接口和延长的存储时间。”

乌尔姆大学的研究小组一直在探索IV组缺陷作为量子网络节点候选者的潜力，最近专注于GeV中心。这些特殊的缺陷在自旋光子界面中具有固有的效率，其特征是光子的高度相干通量。

这种相干光子通量是实现长距离有效量子通信的关键因素。然而，利用IV族钻石缺陷实现量子系统需要克服各种挑战。

Senkalla解释说:“由于声子介导的弛豫，这些缺陷遇到了与延长记忆时间有关的障碍，影响了连贯性和记忆时间。”“我们最近的工作重点是解决这一关键挑战，推动强大量子网络节点的发展。通过我们的努力，我们渴望克服这些障碍，为量子技术的进步做出重大贡献。”

Senkalla和她的同事开发的系统利用GeV作为量子存储元件。为了克服通常与开发组IV缺陷量子系统相关的挑战，研究人员采用了双重策略。

该策略的第一部分旨在减轻声子对量子信息的不利影响。事实上，IV族缺陷很容易与声子耦合，从而破坏量子信息。

“为了克服这一挑战，我们使用了稀释冰箱(DR)，这是一种广泛用于复杂量子计算实验的复杂设备，例如IBM的量子计算实验。它可以准备几百毫开尔文范围内的温度，”森卡拉说。

“另一方面，我们方法的第二部分解决了自旋噪声的解耦和信息存储的优化。在如此低的温度范围内工作表明自旋噪声是退相干的主要因素。为了延长记忆时间和屏蔽量子信息，我们使用微波脉冲实现了细致的自旋再聚焦，并在战略选择的时间间隔内执行计算操作。”

Senkalla和她的同事在开发量子存储器时必须考虑的另一个方面是每个控制脉冲引入的热负荷的管理。事实上，稀释制冷机的冷却能力是有限的，超过这个有限的冷却能力可以提高温度，从而促进声子的产生，从而导致退相干。

Senkalla说:“开发一个优化的脉冲序列涉及到使用Ornstein-Uhlenbeck过程，这是一种捕捉系统动态的噪声建模技术。”

“Ornstein-Uhlenbeck的模拟为噪声动力学提供了重要的见解，使我们能够找到微妙地平衡自旋再聚焦、计算间隔和实验热负荷管理的序列。”

研究人员在实验和模拟中测试了他们提出的量子存储器。值得注意的是，他们在模拟中获得的结果与实验数据非常吻合。

Senkalla说:“我们的研究首次成功地证明了在毫开尔文温度下锗空位(GeV)的有效自旋控制。”“我们介绍的综合方法具有超越GeV的相关性，具有在不同实验条件和其他IV组缺陷下提高量子存储性能的潜力。”

支持研究人员提出的量子存储器的设计相对简单，并且可以使用除gev之外的其他IV组缺陷进行复制。最终发现，这种设计将基于gev的存储器的相干时间延长了45倍，达到了20毫秒的记录相干时间。

论文中提出的显著发现突出了GeV缺陷在开发基于量子网络的系统方面的潜力。在未来，这项工作可能会激发iv族缺陷在量子通信应用中的更多应用。

Senkalla说:“我们的研究超越了实验室，为量子技术中GeV和其他iv类缺陷的实际应用提供了有价值的见解。”

“我们的Ornstein-Uhlenbeck模拟为在各种实验条件下优化GeV和类似缺陷的控制方案铺平了道路。潜在的影响延伸到亚马逊网络服务(AWS)等行业，正在探索基于SiV等IV组缺陷的量子网络。”

Senkalla和她的同事们最近的研究最终可能有助于量子通信系统的发展，以及各种可能从高性能量子技术中受益的行业。同时，研究人员计划继续探索GeV钻石缺陷作为量子网络节点的潜力。

Senkalla说:“扩大我们对GeV及其作为量子网络节点的潜力的探索，我们正在积极地将GeV纳入实际的量子网络。”

“我们在乌尔姆的团队正在构建实验装置，作为这个量子网络的额外节点，这符合我们的愿景，即乌尔姆成为德国以IV组缺陷为中心的量子网络的示范地点。”

在接下来的研究中，研究人员计划将gev整合到纳米光子腔中，同时也处理周围的核自旋。这两个步骤对于量子网络的升级都至关重要。

“这些步骤中的第一步提高了我们的光子速率，从而提高了纠缠率，后者使量子纠错协议的实现成为可能，这是实现容错量子计算的重要一步，”Senkalla补充说。

“我们正处于一段激动人心的旅程中，期待着进一步推动我们的研究。”

更多信息:Katharina Senkalla等人，金刚石量子存储器中锗空位超过20 ms，物理评论快报(2024)。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.132.026901。在arXiv上:DOI: 10.48550/ arXiv .2308.09666

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引用本文:具有锗空位的金刚石量子存储器超过20 ms相干时间(2024,2月16日)，于2024年2月16日检索自https://phys.org/news/2024-02-diamond-quantum-memory-germanium-vacancy.html

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