锗空位金刚石量子存储器相干时间超过20ms

钻石的色心由于其发展量子技术的潜力而成为越来越多研究的焦点。一些工作特别探索了使用带负电荷的第IV族金刚石缺陷作为量子网络的节点，该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》的一篇论文中，发现由此产生的量子存储器表现出超过20毫秒的有希望的相干时间。

该论文的合著者Katharina Senkalla说：“我们研究小组的主要重点是探索量子应用中的金刚石色心。”，Phys.org表示：“到目前为止，钻石最常见的缺陷是氮空位中心，但最近，其他色心也成为了研究的焦点。这些色心由元素周期表第四列的元素Si、Ge、Sn或Pb和晶格空位（即缺失下一个相邻碳原子）组成。”

已经发现IV族色中心在零声子线中表现出比先前使用的氮空位中心更强的发射。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远程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-光子接口和延长的存储时间。”

乌尔姆大学的研究小组一段时间以来一直在探索第四组缺陷作为量子网络节点候选的潜力，最近专注于GeV中心。这些特定的缺陷在自旋-光子界面中具有固有的效率，其特征在于光子的高度相干通量

这样的相干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，使用第IV族金刚石缺陷实现量子系统需要克服各种挑战

Senkalla解释道：“由于声子介导的弛豫，这些缺陷遇到了与延长记忆时间有关的障碍，影响了相干性和记忆时间。”。“我们最近的工作重点是应对这一关键挑战，推动强大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，为量子技术的进步做出重大贡献。”

Senkalla和她的同事开发的系统使用GeV作为量子存储元件。为了克服通常与开发第四组基于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，IV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），这是一种复杂的设备，广泛用于复杂的量子计算实验，例如IBM的量子计算试验。它可以制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与自旋噪声的解耦和信息存储的优化问题。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。为了延长存储时间和屏蔽量子信息，我们在可以执行这些计算操作。“

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，稀释冰箱的冷却能力有限，超过这个有限的能力可能会升高温度，从而促进声子的产生，进而导致退相干ce

Senkalla说：“开发一个优化的脉冲序列需要使用Ornstein-Uhlenbeck过程，这是一种捕捉系统动态的噪声建模技术。”

“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，他们在模拟中获得的结果与实验数据非常吻合

Senkalla说：“我们的研究首次成功地证明了在毫开尔文温度下锗空位（GeV）的有效自旋控制。”。“我们引入的综合方法，其相关性超出了GeV，有可能在不同的实验条件和其他第IV组缺陷中提高量子存储器的性能。”

研究人员提出的量子存储器的设计相对简单，可以使用GeV以外的其他第IV类缺陷进行复制。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20毫秒的创纪录相干时间

论文中的显著发现突出了GeV缺陷在开发量子网络系统方面的潜力。在未来，这项工作可能会激发更多地利用IV族缺陷进行量子通信