Avances en Tecnologías Cuánticas de Vacantes de Estaño

El centro de vacante de estaño cargado negativamente en diamante se está convirtiendo en una opción prometedora para el futuro de las redes cuánticas de larga distancia. Esto se debe principalmente a sus buenas propiedades ópticas y de espín, que incluyen emisión de luz brillante, resistencia al ruido electrónico y estados de espín duraderos incluso a temperaturas superiores a 1 Kelvin. En este estudio, mostramos cómo medir un único espín electrónico de vacante de estaño con una precisión de lectura del 87.4%. Esta precisión se puede incrementar al 98.5% evaluando los resultados de múltiples mediciones. Nuestros hallazgos muestran que esta precisión funciona bien con un control rápido de espín por microondas, demostrando que podemos combinar una buena lectura óptica con un control efectivo del espín en el centro de vacante de estaño.

También utilizamos técnicas de medición cuántica débil para examinar cómo la medición afecta el dephasing, que es la pérdida de información cuántica. Esto ilumina la compleja relación entre la medición y la decoherencia en la mecánica cuántica y utiliza la coherencia de espín del qubit como una herramienta para mediciones precisas. En general, estos resultados ayudan a superar obstáculos significativos en el desarrollo de tecnologías cuánticas basadas en el centro de vacante de estaño y ofrecen métodos que se pueden aplicar para estudiar otros sistemas cuánticos de estado sólido.

Los qubits de centros de color, como el centro de vacante de estaño, se consideran beneficiosos para desarrollar tecnologías cuánticas, especialmente en la creación de redes cuánticas. Esto se debe a su conexión eficiente entre espín y luz, largos tiempos de coherencia de espín y compatibilidad con nanofotónica. Un gran desafío es expandir estas redes para incluir más nodos, distancias más largas y una complejidad añadida como registros de qubits corregidos por errores.

Las soluciones a estos desafíos están vinculadas a la elección de la plataforma cuántica, en este caso, el centro de color de vacante de estaño. En este momento, las redes cuánticas avanzadas generalmente consisten en tres nodos, cada uno basado en un centro de vacante de nitrógeno en diamante. Sin embargo, el centro de vacante de nitrógeno tiene sus desventajas, incluyendo alta sensibilidad al ruido eléctrico y bajas posibilidades de emisión en su línea de fonones cero, lo que afecta su capacidad para generar estados entrelazados.

Entre los diversos defectos atómicos de estado sólido, incluyendo iones de tierras raras y defectos encontrados en carburo de silicio, los centros de color de grupo IV en diamante son notables como fuertes candidatos para mejorar las redes cuánticas. Su estructura simétrica les da una resistencia natural al ruido eléctrico, permitiendo estabilidad óptica en sistemas nanofotónicos. Además, muestran alta eficiencia y fuerte emisión en su línea de fonones cero, lo que es ventajoso para generar estados entrelazados.

Uno de estos centros de grupo IV, el centro de vacante de silicio, ha demostrado largos tiempos de coherencia de espín y lectura de espín eficiente. Sin embargo, debido a su separación del estado fundamental inducida por el espín-órbita de 50 GHz, debe operarse a temperaturas muy bajas para evitar el ruido térmico, que es una limitación significativa. Por esto, el centro de vacante de estaño ha surgido como una fuerte alternativa, ofreciendo una mayor separación del estado fundamental, lo que permite un control efectivo del espín a temperaturas más altas.

Los avances recientes con el centro de vacante de estaño incluyen su integración con nanofotónica, producción de fotones individuales de alta calidad y control eficiente de espín por microondas. Sin embargo, estudios recientes han demostrado que hay un equilibrio complejo entre el rendimiento de la polarización de espín, el control de espín y la lectura dependiendo de la tensión y la dirección del campo magnético. El problema principal es que optimizar para un control de espín por microondas de alta calidad generalmente entra en conflicto con optimizar la lectura.

Actualmente, los únicos resultados publicados para la lectura de un espín electrónico de vacante de estaño en una sola toma provienen de un centro sin tensión que no es ideal para un control efectivo del espín. Por otro lado, las demostraciones de control coherente del espín provienen de configuraciones que están fuera del rango de una sola toma. Esto plantea preguntas sobre si el control rápido del espín y la lectura precisa se pueden combinar con éxito para el centro de vacante de estaño, como se ha visto con el centro de vacante de silicio.

En este estudio, a través de un examen cuidadoso del rendimiento de lectura y los compromisos relevantes, proporcionamos una respuesta positiva a esta pregunta mientras mejoramos nuestro conocimiento tanto de la plataforma de vacante de estaño como de la medición general de emisores de estado sólido. Logramos una precisión de lectura de una sola toma del 87.4% en condiciones que permiten un control rápido de espín por microondas. Además, al analizar los resultados de dos mediciones consecutivas, logramos una precisión de lectura condicional del 98.5%. Esto es posible al tener una eficiencia de medición que implica que una precisión casi perfecta es alcanzable en futuras aplicaciones nanofotónicas.

Finalmente, combinamos el control coherente del espín con la medición cuántica débil para estudiar cómo la medición puede inducir dephasing. Esto no solo reafirma nuestra comprensión de la medición cuántica, sino que también nos permite utilizar la superposición de espín del qubit para evaluar su interacción con la luz y caracterizar el sistema de medición.

#Resumen Esquemático

Un qubit de vacante de estaño se forma cuando un átomo de estaño ocupa el lugar de dos átomos de carbono en una estructura de diamante. Manipulamos el espín de este sistema similar a un átomo usando un campo magnético constante, combinado con pulsos de control óptico y de microondas. Esto conduce a la emisión de luz dependiente del espín, que medimos con un contador de fotones individuales. La presencia o ausencia de eventos de detección indica el estado de espín del qubit con alta precisión. Sin embargo, parte de la luz emitida se pierde antes de la detección, y esta pérdida se modela mediante un divisor de haz que se coloca entre el qubit y un detector ideal.

#Preparación y Control del Estado de Espín

Para medir cualquier qubit, entender sus niveles de energía es esencial. Aquí, nos centramos en el qubit de vacante de estaño. Cuando se aplica un campo magnético, los niveles de energía se dividen debido al efecto Zeeman, lo que lleva a diferentes transiciones. Estas transiciones pueden preservar el espín o invertirlo. La eficiencia de estos procesos, como lo indica la cíclica, influye en cuántos fotones se pueden recopilar durante la lectura. Cuantos más fotones se recogen, mejor es la medición.

Podemos determinar la fidelidad de polarización, que nos dice qué tan bien una medición prepara el qubit en sus estados de espín deseados. Nuestras mediciones muestran una buena fidelidad, limitada principalmente por el ruido de fondo. Al gestionar nuestras condiciones experimentales, podemos seguir mejorando esta fidelidad.

#Control del Espín

La manipulación de alta fidelidad del espín de vacante de estaño también se logra con control por microondas. En condiciones óptimas, demostramos un control rápido por microondas, que es crucial para operaciones cuánticas eficientes. Nuestras mediciones muestran que la tasa de Rabi, que indica cuán rápido se puede manipular el espín, cambia mínimamente, permitiendo operaciones a máxima cíclica sin comprometer el rendimiento.

#Caracterización de Lectura

Usando nuestras técnicas establecidas, caracterizamos la lectura de una sola toma de un único espín electrónico. La precisión de lectura se ve muy influenciada por los resultados de dos mediciones consecutivas. Nuestros resultados indican que la lectura está en el régimen deseado, confirmando la efectividad de nuestros métodos.

La fidelidad condicional, calculada en función de los resultados de dos lecturas, muestra una fuerte anti-correlación debido a la naturaleza del proceso de medición cuántica. Además, evaluamos la fidelidad de no demolición cuántica, que indica qué tan bien se preserva el estado cuántico después de la medición.

#Dependencia de la Medición en Potencia y Eficiencia

También investigamos cómo cambia el rendimiento de la medición con la potencia utilizada durante el proceso de medición. A medida que aumenta la potencia, vemos mejoras en el número de fotones recopilados, aunque esto también lleva a un aumento en el ruido de fondo. Al utilizar modelado sofisticado, podemos cuantificar la eficiencia de medición, que es crucial para mejorar experimentos futuros.

La relación entre el número de fotones recopilados y la fidelidad de lectura es significativa. Al optimizar la potencia utilizada y entender las pérdidas en el sistema, podemos mejorar la eficiencia general de la medición.

#Control del Dephasing del Qubit a través de Medición Cuántica Débil

Al preparar el qubit en un estado de superposición, analizamos cómo una medición débil afecta su coherencia. Mostramos que la fuerza del láser influye en el grado de coherencia perdida durante la medición. Nuestros datos indican una conexión clara entre el proceso de medición y cómo impacta la coherencia del qubit, ayudándonos a entender mejor la física subyacente.

#Método General para Caracterizar la Eficiencia

Estudiar el comportamiento del qubit a bajas potencias proporciona un medio alternativo para evaluar la eficiencia de nuestro sistema. Esto ofrece una visión de cómo podemos medir la eficiencia de manera efectiva y cómo se conecta con las condiciones experimentales.

#Resumen

En resumen, demostramos la capacidad de lograr una lectura de alta calidad de una sola toma de un espín electrónico de vacante de estaño en diamante, junto con control de microondas de ese espín. Nuestros resultados muestran una precisión del 87.4%, con potencial para una mayor mejora a medida que desarrollamos mejores técnicas de medición. También evaluamos la fidelidad condicional y la fidelidad equivalente de no demolición cuántica, reforzando nuestros hallazgos.

Al combinar nuestras técnicas y resultados, contribuimos al desarrollo de tecnologías cuánticas de vacante de estaño, mostrando el potencial para construir redes cuánticas eficientes. Los métodos y entendimiento que desarrollamos aquí también tendrán una amplia gama de aplicaciones en diferentes sistemas atómicos de estado sólido.

#Agradecimientos

Este trabajo ha sido apoyado por varios programas y agencias de financiamiento. Agradecemos las contribuciones de muchas personas que ayudaron con la instrumentación, preparación de muestras y trabajo teórico. Además, partes de nuestra investigación se llevaron a cabo en instalaciones especializadas, que jugaron un papel importante en nuestros hallazgos.