I centri colorati nel diamante, in particolare il centro di piombo vacante (PbV), aprono nuove prospettive per la costruzione di reti quantistiche su larga scala. Grazie alle loro proprietà ottiche uniche, questi centri colorati potrebbero diventare elementi chiave per il trasferimento di informazioni quantistiche su lunghe distanze, aprendo la strada a importanti progressi nel campo dell’informatica quantistica.
Proprio come i circuiti elettrici utilizzano componenti per controllare i segnali elettronici, le reti quantistiche si affidano a componenti e nodi speciali per trasferire informazioni quantistiche tra diversi punti, costituendo la base per la costruzione di sistemi quantistici. Nel caso delle reti quantistiche, il centri colorati nel diamante, che sono difetti aggiunti intenzionalmente a un cristallo di diamante, sono cruciali per generare e mantenere stati quantistici stabili su lunghe distanze.
Quando stimolati dalla luce esterna, questi centri colorati nel diamante emettono fotoni trasportano informazioni sui loro stati elettronici interni, in particolare sugli stati di spin. L’interazione tra i fotoni emessi e gli stati di spin dei centri colorati consente il trasferimento di informazioni quantistiche tra diversi nodi di reti quantistiche.
Un noto esempio di centri colorati nel diamante è il centro di azoto vacante (NV), dove un atomo di azoto viene aggiunto insieme agli atomi di carbonio mancanti nel reticolo del diamante. Tuttavia, i fotoni emessi dai centri di colore NV non hanno frequenze ben definite e sono influenzati dalle interazioni con l’ambiente, rendendo difficile il mantenimento di un sistema quantistico stabile.
Per risolvere questo problema, un gruppo internazionale di ricercatori, tra cui il professore associato Takayuki Iwasaki del Tokyo Institute of Technology, ha sviluppato un centro di posti vacanti leader (PbV) caricato negativamente nel diamante, dove un atomo di piombo è inserito tra posti vacanti vicini in un cristallo di diamante. Nello studio pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, i ricercatori rivelano che il centro PbV emette fotoni di frequenze specifiche che non sono influenzate dall’energia vibrazionale del cristallo. Queste caratteristiche rendono i fotoni vettori affidabili di informazioni quantistiche per reti quantistiche su larga scala.
Per realizzare il centro PbV, i ricercatori hanno introdotto ioni di piombo sotto la superficie del diamante mediante impianto ionico. È stato quindi effettuato un processo di ricottura per riparare i danni causati dall’impianto degli ioni di piombo. Il centro PbV risultante mostra un sistema di spin 1/2, con quattro stati energetici distinti, con lo stato fondamentale e lo stato eccitato divisi in due livelli energetici. Dopo la fotoeccitazione del centro PbV, le transizioni elettroniche tra i livelli energetici hanno prodotto quattro ZPL distinti, classificati dai ricercatori come A, B, C e D in base all’energia decrescente delle transizioni associate. Tra questi, si è scoperto che la transizione C ha a larghezza di linea limitata dalla trasformata di Fourier di 36 MHz.
Il centro PbV è notevole per la sua capacità di mantenere la sua larghezza di linea a circa 1,2 volte il limite di trasformazione a temperature fino a 16 K. Ciò è importante per ottenere circa l’80% di visibilità nell’interferenza con due fotoni. Al contrario, centri colorati come SiV, GeV e SnV devono essere raffreddati a temperature molto più basse (da 4 K a 6 K) per condizioni simili.
Generando fotoni ben definiti a temperature relativamente elevate rispetto ad altri centri di colore, il centro PbV può funzionare come un’efficiente interfaccia quantistica luce-materia, consentendo il trasporto di informazioni quantistiche su lunghe distanze dai fotoni tramite fibre ottiche.
Sintetico
I risultati di questo studio aprono la strada all’utilizzo del centro PbV come elemento costitutivo per la costruzione di reti quantistiche su larga scala. Grazie alle sue proprietà ottiche uniche, in particolare la sua capacità di emettere fotoni di frequenze specifiche non influenzate dall’energia vibrazionale del cristallo, il centro PbV potrebbe diventare un componente chiave per il trasferimento di informazioni quantistiche su lunghe distanze.
Per una migliore comprensione
Cos’è un centro colorato nel diamante?
Un centro colorato nel diamante è un difetto aggiunto intenzionalmente al cristallo di diamante, dove un atomo di impurità sostituisce un atomo di carbonio o è inserito tra gli spazi vuoti nel reticolo cristallino. Questi centri colorati possono emettere fotoni che trasportano informazioni quantistiche quando stimolati dalla luce esterna.
Cosa distingue il centro PbV dagli altri centri colorati?
Il centro PbV si distingue per la sua capacità di emettere fotoni di frequenze specifiche che non sono influenzate dall’energia vibrazionale del cristallo di diamante. Inoltre, può mantenere la sua larghezza di linea vicino al limite di trasformazione a temperature relativamente elevate rispetto ad altri centri di colore.
Perché i fotoni emessi sono importanti per le reti quantistiche?
I fotoni emessi dal centro PbV sono portatori affidabili di informazione quantistica perché hanno frequenze ben definite e non sono influenzati dalle interazioni con l’ambiente. Ciò consente di trasferire in modo efficiente le informazioni quantistiche tra diversi nodi di una rete quantistica su lunghe distanze.
Il centro PbV viene creato introducendo ioni di piombo sotto la superficie di un diamante mediante impiantazione ionica. Viene poi effettuato un processo di ricottura per riparare i danni causati dall’impianto e consentire la formazione del centro colorato.
Quali sono le prospettive di applicazione nelle reti quantistiche?
Il centro PbV potrebbe diventare un elemento fondamentale per la costruzione di reti quantistiche su larga scala. Le sue proprietà ottiche uniche lo rendono un candidato promettente per lo sviluppo dell’informatica quantistica e aprono nuove prospettive per applicazioni innovative in vari campi.
Riferimenti
Articolo: “Emissione di fotoni a trasformazione limitata da un centro di piombo vacante in un diamante superiore a 10 K” – DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.073601
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