Durchbruch bei Zinn-Leerstellen-Zentren für Quantennetzwerkanwendungen

Quantenverschränkung bezieht sich auf ein Phänomen in der Quantenmechanik, bei dem zwei oder mehr Teilchen so miteinander verbunden werden, dass der Zustand jedes Teilchens nicht unabhängig von den anderen beschrieben werden kann, selbst wenn sie durch eine große Entfernung voneinander getrennt sind. Das von Albert Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnete Prinzip wird heute in Quantennetzwerken genutzt, um Informationen zu übertragen. Die Bausteine ​​dieser Netzwerke – Quantenknoten – können Quantenzustände erzeugen und messen.

Unter den Kandidaten, die als Quantenknoten fungieren können, hat sich gezeigt, dass das Sn-V-Zentrum in Diamant (ein Defekt, bei dem ein Zinnatom (Sn) ein Kohlenstoffatom ersetzt, was zu einem interstitiellen Sn-Atom zwischen zwei Kohlenstoffleerstellen führt) geeignete Eigenschaften aufweist für Quantennetzwerkanwendungen.

Es wird erwartet, dass das Sn-V-Zentrum bei Kelvin-Temperaturen eine lange Spin-Kohärenzzeit im Millisekundenbereich aufweist, wodurch es seinen Quantenzustand über einen relativ langen Zeitraum beibehalten kann. Diese Zentren müssen jedoch noch Photonen mit ähnlichen Eigenschaften produzieren, was ein notwendiges Kriterium für die Erzeugung entfernter verschränkter Quantenzustände zwischen Quantennetzwerkknoten ist.

Jetzt in einer Studie veröffentlicht in Körperliche Überprüfung angewendethaben Forscher unter der Leitung von Associate Professor Takayuki Iwasaki vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, Sn-V-Zentren mit identischer Photonenfrequenz und Linienbreite beobachtet, was eine neue Phase in der Nutzung dieser Zentren als Quantenknoten markiert.

„Die Kontrolle der Linienbreite und Wellenlänge ist bei Festkörpermaterialien eine Herausforderung. Dies gilt insbesondere für Sn-V-Zentren – die aus schweren Atomen bestehen –, da ihr Einbau in Diamant mehr Defekte und eine höhere Spannung um die Emitter herum verursacht“, sagt Dr. Iwasaki.

Die Forscher verwendeten eine Kombination aus Ionenimplantation und Hochdruck-Hochtemperatur-Glühen (HPHT), um Sn-V-Zentren in Diamant zu bilden. Ionenimplantation wurde verwendet, um Sn-Ionen in Diamantsubstrate zu implantieren.

Diese Proben wurden dann in einer Bandapparatur hohen Temperaturen von 2100 °C und hohen Drücken von 7,7 GPa ausgesetzt. Mit diesem zweistufigen Prozess eliminierten die Forscher die Auswirkungen von Oberflächendefekten und Spannungen auf die optischen Eigenschaften der Sn-V-Zentren und adressierten Probleme mit Defekten, die normalerweise bei der Erzeugung der Sn-V-Zentren auftreten.

„Die Hochtemperaturbehandlung hat den Gitterschaden effizient angegangen. Folglich wurde die Spannung um die Emitter herum weitgehend unterdrückt. Außerdem wurden die Sn-V-Zentren in einer Tiefe von etwa 3 Mikrometern von der Oberfläche der Proben gebildet. Dies unterdrückte den Effekt.“ von Spannungen und geladenen Defekten an der Oberfläche, was möglicherweise das Energieniveau der Emitter verschiebt“, sagt Dr. Iwasaki.

Beim anschließenden Scannen der verschiedenen Bereiche der Probe mit einem Laser mit einstellbarer schmaler Linienbreite und Analysieren des emittierten Lichts beobachtete das Team mehrere Sn-V-Zentren mit nahezu identischen Photonenfrequenzen und Linienbreiten, was die erfolgreiche Bildung geeigneter stabiler Sn-V-Zentren markierte zur Verwendung als Quantenknoten.

Dr. Iwasaki ist hinsichtlich der zukünftigen Auswirkungen ihrer Arbeit optimistisch. „Die Bildung hochwertiger Sn-V-Zentren führt direkt zur Beobachtung einer Zwei-Photonen-Interferenz zwischen entfernten Emittern und zur zukünftigen Etablierung von Sn-V-Zentren in Diamant als Grenzfläche zwischen Quanten und Lichtmaterie“, sagt er.