量子网络操作的精度：针对谐振寻址和读出进行微调的激光束照亮了 GeV 量子存储器。图片来源：Katharina Senkalla。

钻石的颜色中心是越来越多的研究的焦点，因为它们具有开发量子技术的潜力。一些工作特别探讨了使用带负电荷的IV族金刚石缺陷作为量子网络的节点，这些缺陷表现出有效的自旋光子界面。

德国乌尔姆大学的研究人员最近利用金刚石中的锗空位（GeV）中心实现了量子存储器。在《物理评论快报》（Physical Review Letters）的一篇论文中，结果发现由此产生的量子存储器表现出超过20毫秒的相干时间。

“我们研究小组的主要重点是探索量子应用的钻石颜色中心，”该论文的合著者Katharina Senkalla告诉 Phys.org。“到目前为止，金刚石最流行的缺陷是氮空位中心，但最近，其他颜色中心也成为研究的重点。它们由元素周期表IV列中的元素Si，Ge，Sn或Pb组成，以及晶格空位（即缺少相邻碳原子）。

已经发现第四组颜色中心在零声子谱线中表现出比以前使用的氮空位中心强得多的发射。此外，这些中心的反转对称性使它们非常适合集成在纳米光子器件中，这是基于固态单光子源的高效可扩展量子网络的重要一步。

“我们的目标是为促进长距离量子通信和分布式量子计算的量子网络的发展做出重大贡献，”Senkalla说。“在量子网络领域，一个关键的方面是量子网络节点，它需要高效的自旋光子接口和延长的内存时间。

一段时间以来，乌尔姆大学的研究小组一直在探索IV族缺陷作为量子网络节点候选者的潜力，最近将重点放在GeV中心。这些特殊的缺陷在自旋-光子界面中具有固有的效率，其特征是光子的高度相干通量。

这种相干的光子通量是实现长距离有效量子通信的关键因素。尽管如此，使用 IV 族金刚石缺陷实现量子系统需要克服各种挑战。

“由于声子介导的松弛，这些缺陷遇到了与延长记忆时间有关的障碍，影响了连贯性和记忆时间，”Senkalla解释说。“我们最近的工作重点是解决这一关键挑战，推动强大的量子网络节点的发展。通过我们的努力，我们渴望克服这些障碍，并为量子技术的进步做出重大贡献。

在超低温下运行使乌尔姆的研究人员能够将 GeV 的内存时间提高到创纪录的 20 毫秒。 图片来源：Katharina Senkalla。

Senkalla和她的同事开发的系统利用GeV作为量子存储元件。为了克服通常与开发组IV缺陷的量子系统相关的挑战，研究人员采用了双重策略。

该策略的第一部分旨在减轻声子对量子信息的不利影响。事实上，第四族缺陷很容易与声子耦合，从而破坏量子信息。

“为了克服这一挑战，我们使用了稀释冰箱（DR），这是一种广泛用于复杂量子计算实验的复杂设备，例如在IBM的量子计算实验中。它可以准备几百毫开尔文范围内的温度，“Senkalla说。

“另一方面，我们方法的第二部分解决了自旋噪声的解耦和信息存储的优化。在如此低的温度范围内工作表明，自旋噪声是退相干的主要因素。为了延长记忆时间并屏蔽量子信息，我们用微波脉冲和战略性选择的时间间隔实施了细致的自旋重新聚焦，以执行计算操作。

Senkalla和她的同事在开发量子存储器时必须考虑的另一个方面是管理每个控制脉冲引入的热负荷。事实上，稀释制冷机的制冷能力有限，超过这个有限的制冷能力可能会提高温度，从而促进声子的产生，进而导致退相干。

“开发优化的脉冲序列涉及采用Ornstein-Uhlenbeck过程，这是一种捕获系统动态的噪声建模技术，”Senkalla说。

“Ornstein-Uhlenbeck模拟为噪声动力学提供了重要的见解，能够找到微妙平衡自旋重新聚焦、计算间隔和实验热负荷管理的序列。”

研究人员在实验和模拟中测试了他们提出的量子存储器。值得注意的是，他们在模拟中取得的结果与实验数据密切相关。

“我们的技术首次成功展示了在毫开尔文温度下对锗空位（GeV）进行有效自旋控制，”Senkalla说。“我们引入的综合方法，具有超越GeV的相关性，具有在各种实验条件和其他IV组缺陷中提高量子存储器性能的潜力。

通过在超低温下运行并采用优化的序列，来自乌尔姆的研究人员实现了 GeV 创纪录的 20 毫秒内存时间，使其成为量子网络节点的有前途的候选者。图片来源：经 K. Senkalla、G. Genov、MH Metsch、P. Siyushev 和 F. Jelezko 许可转载的精彩图片，钻石量子存储器中的锗空位超过 20 毫秒。 Phys. Rev. Lett. 132， 026901 （2024） 版权所有 2024 美国物理学会。

支撑研究人员提出的量子存储器的设计相对简单，可以使用GeV以外的其他IV组缺陷进行复制。最终发现这种设计将基于GeV的存储器的相干时间延长了45倍，达到了创纪录的20毫秒的相干时间。

论文中提出的显着发现突出了GeV缺陷在开发基于量子网络的系统方面的潜力。未来，这项工作可能会激发在量子通信应用中更多地使用IV族缺陷。

“我们的研究超越了实验室，为GeV和量子技术中其他IV组缺陷的实际应用提供了宝贵的见解，”Senkalla说。

“我们的Ornstein-Uhlenbeck仿真为在各种实验条件下优化GeV和类似缺陷的控制方案铺平了道路。潜在的影响延伸到亚马逊网络服务（AWS）等行业，探索基于SiV等IV族缺陷的量子网络。

Senkalla和她的同事们最近的研究最终可能有助于量子通信系统的进步，以及可能从高性能量子技术中受益的各个行业。同时，研究人员计划继续探索GeV金刚石缺陷作为量子网络节点的潜力。

“扩大我们对GeV及其作为量子网络节点的潜力的探索，我们正在积极地将GeV整合到实际的量子网络中，”Senkalla说。

“我们在乌尔姆的团队正在构建实验装置，作为这个量子网络中的附加节点，这与我们对乌尔姆的愿景相一致，即乌尔姆成为以德国第四组缺陷为中心的量子网络的演示地点。

在他们即将到来的研究中，研究人员计划将GeVs整合到纳米光子腔中，同时解决周围的核自旋问题。这两个步骤对于量子网络的升级都至关重要。

“这些步骤中的第一步提高了我们的光子速率，从而提高了纠缠速率，而后者则实现了量子纠错协议，这是实现容错量子计算的重要一步，”Senkalla补充道。

“我们正处于一段激动人心的旅程中，并期待进一步推动我们的研究。

更多信息：Katharina Senkalla 等人，钻石量子存储器中的锗空位超过 20 毫秒，《物理评论快报》（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.026901.在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2308.09666

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv