Avances en el control por microondas de centros SnV en diamante
La investigación resalta la promesa de los centros SnV para la computación cuántica.
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Tabla de contenidos
El control del spin por microondas en diamantes se ha convertido en un área importante de investigación, especialmente para la computación cuántica. Una opción emocionante para esta tecnología es el centro de vacante de estaño negativo (SnV) que se encuentra en el diamante. Los centros SnV muestran un gran potencial para construir redes cuánticas futuras debido a sus características de trabajo eficientes.
Centro SnV?
¿Qué es unEl centro SnV en el diamante es un tipo de defecto. En términos simples, un defecto es un lugar donde falta algo que debería estar ahí. En este caso, es un átomo que falta en la estructura del diamante. El centro SnV tiene carga negativa, lo que significa que tiene más electrones de lo que debería. Este centro tiene un conjunto especial de propiedades que le permiten funcionar bien como un qubit, que es la unidad básica de información en la computación cuántica.
¿Por qué los centros SnV?
Los centros SnV ofrecen varias ventajas sobre otros tipos de qubits, como los centros de vacante de nitrógeno (NV) que se han utilizado más comúnmente en el pasado. Los centros SnV son menos sensibles al ruido eléctrico, lo que significa que pueden mantener mejor sus estados cuánticos bajo diversas condiciones. También tienen fuertes propiedades de emisión de luz, lo que los hace adecuados para su uso en redes cuánticas.
Objetivos de la investigación
El objetivo principal de la investigación en curso es dominar el control del spin por microondas del centro SnV. Esto implica usar microondas para manipular con precisión el estado de spin del qubit. Al hacer esto, los investigadores aim to aumentar la eficiencia operativa y el tiempo de coherencia, que es el tiempo que el qubit puede mantener su estado antes de perder información.
Conceptos clave
Spin y qubits
En la computación cuántica, el término "spin" se refiere al momento angular intrínseco de partículas como los electrones. Esta propiedad les permite existir en múltiples estados simultáneamente, a diferencia de los bits clásicos que pueden ser un 0 o un 1. Un qubit puede representar ambos a la vez, y esto se conoce como superposición.
Tiempo de coherencia
El tiempo de coherencia es crucial porque determina cuánto tiempo puede mantener un qubit su estado cuántico. Tiempos de coherencia más largos significan que se pueden realizar más operaciones antes de que el qubit pierda su información.
Control por microondas
Se utilizan microondas para cambiar el estado de spin del qubit. Apuntando a los niveles de energía específicos del centro SnV, los investigadores pueden controlar su estado con precisión. Este método necesita equilibrar la potencia para lograr alta fidelidad, lo que significa obtener un control preciso y confiable.
Configuración experimental
Para estudiar los centros SnV, los investigadores utilizaron una muestra de diamante con varios defectos de SnV. Se diseñó una configuración sofisticada para controlar la temperatura, los campos electromagnéticos y los caminos ópticos para observar de cerca el comportamiento del qubit.
Preparación de muestras
Las muestras de diamante fueron especialmente preparadas para asegurarse de que tienen las propiedades adecuadas para la computación cuántica. Esto involucró una combinación de implantación de iones, recocido y otras técnicas para crear los defectos deseados.
Técnicas de enfriamiento
Los experimentos requirieron bajas temperaturas, alrededor de 1.7 K, para minimizar cualquier interferencia de la energía térmica. Temperaturas más bajas ayudan a mantener el tiempo de coherencia del qubit y permiten un mejor rendimiento.
Resultados y observaciones
Control de alta fidelidad
Los resultados mostraron que se podía lograr un control de alta fidelidad de los SPINS de SnV. Los investigadores encontraron que podían lograr un control muy preciso sobre los estados de spin usando técnicas de microondas, lo que permite operaciones de qubit precisas.
Tiempos de coherencia
Los tiempos de coherencia de los qubits SnV resultaron ser prometedores. Los investigadores informaron tiempos de coherencia que alcanzan varios cientos de microsegundos, lo que se considera una buena duración para aplicaciones de computación cuántica.
Microondas vs. Control óptico
Una de las comparaciones fue entre los métodos de control por microondas y los métodos de control óptico. Los métodos por microondas mostraron ventajas en términos de mantener la coherencia en comparación con las técnicas ópticas.
Desafíos
Efectos de calentamiento
Un desafío significativo enfrentado durante los experimentos fue el calentamiento inducido por la activación. Aplicar pulsos de microondas puede calentar involuntariamente el qubit, afectando su rendimiento. Los investigadores están trabajando para minimizar este calentamiento y asegurar mejores resultados.
Sensibilidad al ruido
Aunque los centros SnV son menos sensibles al ruido eléctrico, aún pueden verse afectados por el ruido magnético. Encontrar formas de controlar o mitigar estos factores es crítico para avanzar en la tecnología cuántica.
Trabajos futuros
Escalando
La investigación apunta a la posibilidad de escalar la tecnología SnV para sistemas cuánticos más grandes. Esto implica integrar múltiples qubits para trabajar juntos de manera coordinada, allanando el camino para redes cuánticas más complejas.
Pureza isotópica
Usar diamante isotópicamente puro puede mejorar aún más los tiempos de coherencia, ya que esto reduciría las interacciones de spin nuclear que pueden causar decoherencia.
Técnicas de ingeniería
Los estudios futuros explorarán diversas técnicas de ingeniería para optimizar la colocación y orientación de los centros SnV para lograr un mejor control y rendimiento.
Conclusión
La investigación sobre el control del spin por microondas de los centros SnV en diamante presenta una vía prometedora para las futuras tecnologías cuánticas. La combinación de control de alta fidelidad y largos tiempos de coherencia hace que los centros SnV sean una opción atractiva para la computación y redes cuánticas de próxima generación. A medida que los investigadores continúan abordando los desafíos existentes, el potencial de estos sistemas para revolucionar la tecnología se vuelve cada vez más evidente.
Título: Microwave Spin Control of a Tin-Vacancy Qubit in Diamond
Resumen: The negatively charged tin-vacancy (SnV-) center in diamond is a promising solid-state qubit for applications in quantum networking due to its high quantum efficiency, strong zero phonon emission, and reduced sensitivity to electrical noise. The SnV- has a large spin-orbit coupling, which allows for long spin lifetimes at elevated temperatures, but unfortunately suppresses the magnetic dipole transitions desired for quantum control. Here, by use of a naturally strained center, we overcome this limitation and achieve high-fidelity microwave spin control. We demonstrate a pi-pulse fidelity of up to 99.51+/0.03%$ and a Hahn-echo coherence time of T2echo = 170.0+/-2.8 microseconds, both the highest yet reported for SnV- platform. This performance comes without compromise to optical stability, and is demonstrated at 1.7 Kelvin where ample cooling power is available to mitigate drive induced heating. These results pave the way for SnV- spins to be used as a building block for future quantum technologies.
Autores: Eric I. Rosenthal, Christopher P. Anderson, Hannah C. Kleidermacher, Abigail J. Stein, Hope Lee, Jakob Grzesik, Giovanni Scuri, Alison E. Rugar, Daniel Riedel, Shahriar Aghaeimeibodi, Geun Ho Ahn, Kasper Van Gasse, Jelena Vuckovic
Última actualización: 2023-08-30 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2306.13199
Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2306.13199
Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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