Fortschritte in der Zinn-Vakanz-Quanten-Technologie

Das negativ geladene Zinn-Vakuum-Zentrum in Diamanten wird zu einer vielversprechenden Option für die Zukunft von Langstrecken-Quanten-Netzwerken. Das liegt hauptsächlich an seinen guten optischen und Spin-Eigenschaften, die helles Licht, Widerstand gegen elektronisches Rauschen und langlebige Spin-Zustände selbst bei Temperaturen über 1 Kelvin umfassen. In dieser Studie zeigen wir, wie man den elektronischen Spin eines einzelnen Zinn-Vakuum-Zentrums mit einer Auslesegenauigkeit von 87,4 % messen kann. Diese Genauigkeit kann auf 98,5 % erhöht werden, indem man die Ergebnisse mehrerer Messungen auswertet. Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese Genauigkeit gut mit schneller Mikrowellen-Spinkontrolle funktioniert, was beweist, dass wir gute optische Auslesung mit effektiver Spinkontrolle im Zinn-Vakuum-Zentrum kombinieren können.

Wir nutzen auch schwache Quantenmessverfahren, um zu untersuchen, wie die Messung die Dephasierung beeinflusst, also den Verlust von Quanteninformationen. Das wirft Licht auf die komplexe Beziehung zwischen Messung und Dekohärenz in der Quantenmechanik und nutzt die Spin-Kohärenz des Qubits als Werkzeug für präzise Messungen. Insgesamt helfen diese Ergebnisse, signifikante Hindernisse in der Entwicklung von Quanten-Technologien basierend auf dem Zinn-Vakuum-Zentrum zu überwinden und bieten Methoden, die auch zur Untersuchung anderer festkörperlicher Quantensysteme angewendet werden können.

Farbzentrums-Qubits, wie das Zinn-Vakuum-Zentrum, werden als vorteilhaft für die Entwicklung von Quantentechnologien angesehen, insbesondere beim Aufbau von Quanten-Netzwerken. Das liegt an ihrer effizienten Verbindung zwischen Spin und Licht, langen Spin-Kohärenzzeiten und der Kompatibilität mit Nanophotonik. Eine grosse Herausforderung ist, diese Netzwerke auszuweiten, um mehr Knoten, längere Distanzen und zusätzliche Komplexität wie fehlerkorrigierte Qubit-Register einzubeziehen.

Die Lösungen für diese Herausforderungen sind mit der Wahl der Quantenplattform verbunden, in diesem Fall dem Zinn-Vakuum-Farbzentrum. Momentan bestehen fortschrittliche Quanten-Netzwerke normalerweise aus drei Knoten, die jeweils auf einem Stickstoff-Vakuum-Zentrum in Diamanten basieren. Das Stickstoff-Vakuum-Zentrum hat jedoch seine Nachteile, einschliesslich hoher Empfindlichkeit gegenüber elektrischem Rauschen und geringen Chancen, in seine Null-Phonon-Linie zu emittieren, was seine Fähigkeit zur Erzeugung von verschränkten Zuständen beeinträchtigt.

Unter den verschiedenen festkörperlichen atomaren Defekten, einschliesslich seltener Erdenionen und Defekten in Siliziumkarbid, stechen die Gruppe-IV-Farbzentren in Diamanten als starke Kandidaten zur Verbesserung von Quanten-Netzwerken hervor. Ihre symmetrische Struktur verleiht ihnen eine natürliche Resistenz gegen elektrisches Rauschen, wodurch optische Stabilität in nanophotonischen Systemen ermöglicht wird. Darüber hinaus zeigen sie hohe Effizienz und starke Emission in ihre Null-Phonon-Linie, was vorteilhaft für die Erzeugung verschränkter Zustände ist.

Eines dieser Gruppe-IV-Zentren, das Silizium-Vakuum-Zentrum, hat lange Spin-Kohärenzzeiten und effiziente Spin-Auslesung gezeigt. Aufgrund seiner spin-Bahn-induzierten Grundzustandsteilung von 50 GHz muss es jedoch bei sehr niedrigen Temperaturen betrieben werden, um thermisches Rauschen zu vermeiden, was eine wesentliche Einschränkung darstellt. Aus diesem Grund hat sich das Zinn-Vakuum-Zentrum als starke Alternative herauskristallisiert, da es eine grössere Grundzustandsteilung bietet und eine effektive Spinkontrolle bei höheren Temperaturen ermöglicht.

Zu den jüngsten Fortschritten mit dem Zinn-Vakuum-Zentrum gehören dessen Integration mit Nanophotonik, hochwertige Ein-Photonen-Produktion und effektive Mikrowellen-Spinkontrolle. Dennoch haben neueste Studien gezeigt, dass es ein komplexes Gleichgewicht zwischen der Leistung von Spin-Polarisation, Spinkontrolle und Auslesung gibt, abhängig von der Dehnung und der Richtung des Magnetfeldes. Das Hauptproblem ist, dass eine Optimierung für hochwertige Mikrowellen-Spinkontrolle in der Regel im Konflikt mit der Optimierung der Auslesung steht.

Derzeit stammen die einzigen veröffentlichten Ergebnisse für die Ein-Schuss-Auslesung eines Zinn-Vakuum-Elektronenspins von einem ungespannten Zentrum, das nicht ideal für eine effektive Spinkontrolle ist. Im Gegensatz dazu kommen Demonstrationen der kohärenten Spinkontrolle aus Konfigurationen, die ausserhalb des Ein-Schuss-Bereichs liegen. Das wirft Fragen auf, ob schnelle Spinkontrolle und genaue Auslesung erfolgreich für das Zinn-Vakuum-Zentrum kombiniert werden können, wie es beim Silizium-Vakuum-Zentrum der Fall ist.

In dieser Studie geben wir durch eine sorgfältige Untersuchung der Ausleseleistung und relevanter Kompromisse eine positive Antwort auf diese Frage, während wir unser Wissen über die Zinn-Vakuum-Plattform und die allgemeine Messung von Festkörperemittenten erweitern. Wir erreichen eine Ein-Schuss-Auslesegenauigkeit von 87,4 % unter Bedingungen, die eine schnelle Mikrowellen-Spinkontrolle ermöglichen. Darüber hinaus erreichen wir durch die Analyse der Ergebnisse von zwei aufeinanderfolgenden Messungen eine bedingte Auslesegenauigkeit von 98,5 %. Das wird durch eine Mess-Effizienz ermöglicht, die nahelegt, dass eine nahezu perfekte Genauigkeit in zukünftigen nanophotonischen Anwendungen erreichbar ist.

Abschliessend kombinieren wir kohärente Spinkontrolle mit schwacher Quantenmessung, um zu untersuchen, wie die Messung Dephasierung induzieren kann. Dies bekräftigt nicht nur unser Verständnis von Quantenmessung, sondern ermöglicht uns auch, die Spin-Superposition des Qubits zu nutzen, um seine Wechselwirkung mit Licht zu benchmarken und das Messsystem zu charakterisieren.

#Schematische Übersicht

Ein Zinn-Vakuum-Qubit wird gebildet, wenn ein Zinnatom den Platz von zwei Kohlenstoffatomen in einer Diamantstruktur einnimmt. Wir manipulieren den Spin dieses atomähnlichen Systems unter Verwendung eines konstanten Magnetfelds, kombiniert mit optischen und Mikrowellenkontrollimpulsen. Das führt zu einer Lichtemission, die vom Spin abhängt, den wir mit einem Einzelphotonenzähler messen. Das Vorhandensein oder Fehlen von Detektionsereignissen zeigt den Spin-Zustand des Qubits mit hoher Präzision an. Allerdings geht ein Teil des emittierten Lichts vor der Detektion verloren, und dieser Verlust wird durch einen Strahlteiler modelliert, der zwischen dem Qubit und einem idealen Detektor platziert ist.

#Spin-Zustandsvorbereitung und Kontrolle

Um ein Qubit zu messen, ist es wichtig, seine Energieniveaus zu verstehen. Hier konzentrieren wir uns auf das Zinn-Vakuum-Qubit. Wenn ein Magnetfeld angelegt wird, spalten sich die Energieniveaus aufgrund des Zeeman-Effekts, was zu unterschiedlichen Übergängen führt. Diese Übergänge können entweder den Spin erhalten oder umdrehen. Die Effizienz dieser Prozesse, wie durch die Zyklen gezeigt, beeinflusst, wie viele Photonen während der Auslesung gesammelt werden können. Je mehr Photonen gesammelt werden, desto besser die Messung.

Wir können die Polarisations-Fidelity bestimmen, die uns sagt, wie gut eine Messung das Qubit in seinen gewünschten Spin-Zuständen vorbereitet. Unsere Messungen zeigen eine gute Fidelity, die hauptsächlich durch Hintergrundrauschen begrenzt ist. Durch die Verwaltung unserer experimentellen Bedingungen können wir diese Fidelity weiter verbessern.

#Spinkontrolle

Eine hochpräzise Manipulation des Zinn-Vakuum-Spins wird ebenfalls mit Mikrowellenkontrolle erreicht. Unter optimalen Bedingungen zeigen wir eine schnelle Mikrowellenkontrolle, die entscheidend für effiziente Quantenoperationen ist. Unsere Messungen zeigen, dass die Rabi-Rate, die angibt, wie schnell der Spin manipuliert werden kann, minimal variiert, was Operationen mit maximaler Zyklenzahl bei gleichbleibender Leistung ermöglicht.

#Auslesecharakterisierung

Mit unseren etablierten Techniken charakterisieren wir die Ein-Schuss-Auslesung eines einzelnen Elektronenspins. Die Auslesegenauigkeit wird stark von den Ergebnissen zweier aufeinanderfolgender Messungen beeinflusst. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Auslesung im gewünschten Bereich liegt und die Wirksamkeit unserer Methoden bestätigt.

Die bedingte Fidelity, die auf der Grundlage der Ergebnisse von zwei Auslesungen berechnet wird, zeigt eine starke Antikorrelation aufgrund der Natur des Quantenmessprozesses. Darüber hinaus beurteilen wir die Quanten-Nicht-Zerstörung-Fidelity, die angibt, wie gut der Quantenstatus nach der Messung beibehalten wird.

#Abhängigkeit der Messung von Leistung und Effizienz

Wir untersuchen auch, wie sich die Messleistungsfähigkeit mit der während des Messprozesses verwendeten Leistung ändert. Mit zunehmender Leistung sehen wir Verbesserungen bei der Anzahl der gesammelten Photonen, obwohl dies auch zu erhöhtem Hintergrundrauschen führt. Durch den Einsatz anspruchsvoller Modellierung können wir die Mess-Effizienz quantifizieren, die entscheidend für die Verbesserung zukünftiger Experimente ist.

Die Beziehung zwischen der Anzahl der gesammelten Photonen und der Auslesefidelity ist signifikant. Durch die Optimierung der verwendeten Leistung und das Verständnis der Verluste im System können wir die gesamte Mess-Effizienz erhöhen.

#Kontrolle der Qubit-Dephasierung durch schwache Quantenmessung

Indem wir das Qubit in einen Überlagerungszustand versetzen, analysieren wir, wie eine schwache Messung seine Kohärenz beeinflusst. Wir zeigen, dass die Stärke des Lasertriebs den Grad der Kohärenz, der während der Messung verloren geht, beeinflusst. Unsere Daten zeigen eine klare Verbindung zwischen dem Messprozess und dessen Auswirkungen auf die Kohärenz des Qubits, was uns hilft, die zugrunde liegende Physik besser zu verstehen.

#Allgemeine Methode zur Charakterisierung der Effizienz

Die Untersuchung des Verhaltens des Qubits bei niedrigen Leistungen bietet eine alternative Methode zur Bewertung der Effizienz unseres Systems. Dies gibt Einblick, wie wir die Effizienz effektiv messen können und wie sie mit den experimentellen Bedingungen verbunden ist.

#Zusammenfassung

Zusammenfassend demonstrieren wir die Fähigkeit, eine qualitativ hochwertige Ein-Schuss-Auslesung eines Zinn-Vakuum-Elektronenspins in Diamanten zu erreichen, zusammen mit der Mikrowellenkontrolle dieses Spins. Unsere Ergebnisse zeigen eine Genauigkeit von 87,4 %, mit dem Potenzial für weitere Verbesserungen, während wir bessere Messmethoden entwickeln. Wir bewerten ausserdem die bedingte Fidelity und die quanten-nicht-zerstörende äquivalente Fidelity, was unsere Ergebnisse untermauert.

Durch die Kombination unserer Techniken und Ergebnisse tragen wir zur Entwicklung von Zinn-Vakuum-Quantentechnologien bei und zeigen das Potenzial für den Aufbau effizienter Quanten-Netzwerke. Die Methoden und das Verständnis, die wir hier entwickeln, werden auch eine breite Palette von Anwendungen in verschiedenen festkörperlichen atomaren Systemen haben.

#Danksagungen

Diese Arbeit wurde von verschiedenen Programmen und Förderagenturen unterstützt. Wir erkennen die Beiträge vieler Personen an, die bei der Instrumentierung, der Probenvorbereitung und der theoretischen Arbeit geholfen haben. Darüber hinaus wurden Teile unserer Forschung an spezialisierten Einrichtungen durchgeführt, die eine wichtige Rolle in unseren Ergebnissen gespielt haben.