Квантовый узел из алмаза

Мощные узлы имеют решающее значение как для квантовой связи, так и для связи квантовых компьютеров с распределенными квантовыми вычислениями. Чтобы соединить различные компоненты в такой квантовой сети, требуются взаимосвязанные кубиты с максимально возможным временем когерентности. Для этой цели узлы должны иметь возможность легко отвечать оптическими или инфракрасными фотонами, поскольку они используются для связи в оптоволоконных сетях.

Нанофотонные растворы доказали свою эффективность. Они выигрывают от того, что взаимодействие света с кубитами является особенно сильным, и возможная пропускная способность увеличивается, когда световые волны пространственно сосредоточены в наноструктурах. Кроме того, нанофотонные компоненты могут быть хорошо размещены в интегрированных микросхемах, что облегчает их использование в крупных сетях. Тем не менее предыдущие решения всегда были в состоянии выполнить только часть требований для квантового узла и никогда не все одновременно. Но группа исследователей во главе с Михаилом Лукиным из Гарвардского университета представила квантовый узел, основанный на кремниевых центрах дефектов в алмазе, и может оказаться важным шагом на пути к будущим квантовым сетям.

Трудность создания квантового сетевого узла заключается в том, что он должен иметь три разных свойства. С одной стороны, он должен быть легко прочитан и описан, кроме того, он должен взаимодействовать со светом как можно эффективнее и, кроме того, может быть хорошо связан с долговечной квантовой памятью. Таким образом, до сих пор уже удалось хорошо соединить захваченные ионы или атомы с падающими фотонами. Однако эти системы труднее разместить на нанофотонных чипах в серийном производстве, чем решения с твердыми телами, например, алмазы с центрами дефектов. Кроме того, предыдущие квантовые узлы были плохо связаны с долговечной квантовой памятью, содержащей регистр из нескольких кубитов.

В большой квантовой сети такие регистры должны содержать несколько кубитов, которые по очереди считываются и переписываются. Это займет некоторое время. Ранее предпочитаемые алмазные азотные вакансии (NV-центры) в алмазе имеют длительное время когерентности. Недавно исследователи из Университета Дельфта смогли создать такой квантовый регистр с десятью кубитами и временем хранения чуть менее одной минуты. Однако такие NV-центры трудно интегрировать в нанофотонный чип для детерминированного взаимодействия с падающими фотонами.

Вот почему исследователи вокруг Лукина обратились к кремниевым очагам-центрам. В этих центрах SiV, как и в центрах NV, чужой атом заменяет два атома углерода в алмазной решетке. Дефект имеет электрон, спиновые состояния которого служат кубитом. При этом SiV-центры, в отличие от NV-центров, обладают инверсионной симметрией, что делает электронный спин особенно нечувствительным к шуму. Исследователи имплантировали эти центры SiV в алмазный стержень длиной в несколько микрометров и в несколько сотен нанометров. Стержень также имел отверстия через равные промежутки времени, чтобы обеспечить определенный режим света, который был соединен с алмазным стержнем через стекловолокно. Исследователи смогли прочитать квантовое состояние с высоким качеством в одном измерении.

Однако для надежного переноса состояния фотона на спин электрона необходимы очень низкие температуры. Потому что при передаче и хранении электронное состояние должно оставаться когерентным. Таким образом, эксперименты проводились при температуре ниже 500 милликельвинов, что требовало тщательного охлаждения. Исследователи, однако, предполагают, что - возможно, с элементом, отличным от материала дефекта - температуры выше одного Кельвина могут быть возможны.

Особенно интересными в эксперименте были методы увеличения продолжительности хранения. Поначалу это составляло всего двадцать микросекунд. Но ученые смогли растянуть их примерно до миллисекунды, подавив внешний магнитный шум специальными микроволновыми импульсами. Еще одно значительное увеличение удалось исследователям благодаря тому, что они перенесли состояние на ядерное вращение соседнего атома углерода-13. Это создало регистр из двух кубитов со временем когерентности 200 миллисекунд.

Однако исследователи не смогли добиться высокого качества при переносе состояния на углеродное ядро. Кроме того, эксперименты по взаимодействию фотонов и электронов в центрах SiV, а также электронов с ядерными спинами в регистре проводились в различных сериях экспериментов, хотя и на одной и той же экспериментальной установке. Чтобы достичь полной связи фотонов с регистром, сначала необходимо повысить качество передачи, так что, несмотря на интересные результаты, здесь можно ожидать значительного объема исследовательской работы.

Источник: journals.aps.org