钻石中的铅空位中心作为大规模量子网络的构建块

变换限制光子发射和高温操作使 PbV 中心成为可扩展量子网络的合适构建块。图片来源：东京工业大学

就像电路使用组件来控制电子信号一样，量子网络依靠特殊的组件和节点在不同点之间传输量子信息，为构建量子系统奠定了基础。

在量子网络的情况下，金刚石中的色心是故意添加到金刚石晶体中的缺陷，对于长距离生成和维持稳定的量子态至关重要。

当受到外部光的刺激时，钻石中的这些色心会发射光子，这些光子携带有关其内部电子状态的信息，尤其是自旋状态。发射的光子与色心的自旋态之间的相互作用使量子信息能够在量子网络中的不同节点之间传输。

金刚石中颜色中心的一个著名例子是氮空位 （NV） 中心，其中氮原子被添加到金刚石晶格中缺失的碳原子附近。然而，NV色心发射的光子没有明确定义的频率，并且受到与周围环境相互作用的影响，这使得维持稳定的量子系统具有挑战性。

为了解决这个问题，包括东京工业大学副教授Takayuki Iwasaki在内的一个国际研究小组在金刚石中开发了一个带负电荷的铅空位（PbV）中心，其中铅原子入金刚石晶体的相邻空位之间。

在 2024 年 2 月 15 日发表在《物理评论快报》杂志上的研究中，研究人员揭示了 PbV 中心发射的特定频率的光子不受晶体振动能量的影响。这些特性使光子成为大规模量子网络量子信息的可靠载体。

对于稳定和相干的量子态，发射的光子必须是变换限制的，这意味着它应该在其频率上具有最小的可能扩散。此外，它应该发射到零声子线（ZPL），这意味着与光子发射相关的能量仅用于改变量子系统的电子构型，而不是与晶格中的振动晶格模式（声子）交换。

为了制造PbV中心，研究人员通过离子注入将铅离子引入金刚石表面下方。然后进行退火过程以修复铅离子注入造成的任何损坏。由此产生的 PbV 中心表现出自旋 1/2 系统，具有四种不同的能态，基态和激发态分为两个能级。

在光激发PbV中心时，能级之间的电子跃迁产生了四种不同的ZPL，研究人员根据相关跃迁的能量递减将其分类为A，B，C和D。其中，发现C跃迁的变换限制线宽为36 MHz。

“我们研究了共振激发下单个PbV中心的光学特性，并证明ZPL之一的C跃迁在6.2 K时达到接近变换极限，而没有明显的声子诱导的弛豫和光谱扩散，”Iwasaki博士说。

PbV 中心的突出之处在于能够在高达 16 K 的温度下将其线宽保持在变换极限的大约 1.2 倍。这对于在双光子干涉中实现约80%的能见度非常重要。相比之下，在类似条件下，SiV、GeV 和 SnV 等颜色中心需要冷却到更低的温度（4 K 至 6 K）。

与其他颜色中心相比，通过在相对较高的温度下产生定义明确的光子，PbV中心可以作为一个高效的量子光-物质界面，使量子信息能够通过光纤被光子远距离携带。

“这些结果可以为PbV中心成为构建大规模量子网络的基石铺平道路，”Iwasaki博士总结道。

更多信息：Peng Wang 等人，Transform-Limited Photon Emission from a Lead-Vacancy Center in Diamond above 10 K，Physical Review Letters （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.073601.在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2308.00995

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv