量子信息处理的颜色中心

本文基于蒙大拿仪器公司的Craig Wall博士和哈佛大学纳米光学实验室的Benjamin Pingault博士的网络研讨会。

In this article, we’ll look at cutting-edge research into the development of solid-state single-photon emitters (SPEs) for on-chip photonics applications in quantum information science, including the characteristics of silicon and tin vacancy centers in diamond, the challenges of coupling quantum emitters with defect engineering and strain tuning, and spin properties and coherence times for group IV color centers. We will also take a deeper look at the technology that makes this research possible, including a cryogenic, high NA, and low vibration experimental setup.

单光子发射器正在成为现实

自2000年代初以来，对非古典光源的发展已经有很多兴趣：从具有可控量子相关的相同光子流生产的来源。这些设备的中央建筑块是一个单光子发射器(SPE)。¹虽然单量子光(光子)的想法是由马克斯·普朗克在1900年提出的，但直到几十年后，单光子才被产生和研究。^2，3

我们可以把理想的单光子发射器定义为在给定的时空模式下一次发射一个无法分辨的光子的器件。虽然一个真正的按需理想光子源尚未实现，但研究人员已经成功地使用了多种方法来实现理想的SPE，使之成为片上量子器件的重要组成部分。^4.

• 原子过渡：这些源使用捕获的离子或冷原子，并得到很好的控制。这是典型的复杂设置，需要极端的真空环境，在这种环境下，将原子装入陷阱可能会有问题。
• 自发参数下转换（SPDC）：这些方法将一个高能光子转换成一对相同的低能量光子。
• 固态单光子发射体，如固体中的点缺陷(也称为色心)。这些设备将是本文的重点。

作为固态单光子发射器的颜色中心

颜色中心基本上是固体中的荧光点缺陷。这种缺陷在固态矩阵中的单个被截止原子类似，并且在室温下稳定（提供了地面和激发状态远离宿主晶格的差。钻石和硅空位中心的氮空缺中心是最广泛的研究，因为两者都可以在室温下以SPES运行。然而，使用低温环境将温度降低到5k的温度大大提高了零位线发射和相干时间。

尽管还存在一些挑战，但颜色中心已经发现了各种各样的应用，从磁力测量到生物标记、温度测量、电测量和量子信息处理。

硅空位中心作为量子信息载体的潜力

Silicon-vacancy中心(猴免疫缺陷病毒^-）由于光学特性的质量，从其他颜色中心脱颖而出。欧洲杯线上买球首先，70-80％的排放是零位线排放，这是在实际设备中使用光子作为量子信息载体。^5.

数字1．硅空位中心的发射光谱显示了737 nm处的单声子线。图片来源:哈佛大学纳米光学实验室Benjamin Pingault博士

第二,猴免疫缺陷病毒^-中心是难以分辨的光子的良好来源，这对几个SiV的界面是很重要的^-利用光子方法如波导和分束器将中心彼此连接起来。^6.

第三,猴免疫缺陷病毒^-中心在纳米金刚石结构中是稳定的(或者至少比NV中心在类似的小规模结构中更稳定)。小至1.6纳米的纳米钻石可以承载稳定的SiV^-中心，使他们为纳米级应用程序提供有吸引力的候选人。^7,8

目前，研究人员专注于整合SIV^-作为光学可互换的Qubits进入量子网络。^9,10.到目前为止，研究人员已经成功地通过光耦合或利用微波和可见光的结合来控制自旋。^11、12其余挑战之一是，4 k的自旋相干时间限制在地面状态的两个轨道分支之间的声子介导的激发约100ns（图2）。量子信息处理应用程序通常需要更长的相干时间。

增加了Si-V的相干时间^-不降低温度的中心

增加相干时间的潜在方法包括进一步降低工作温度(这将需要昂贵和复杂的稀释制冷装置)，改变50 GHz的声子状态密度，或者分裂基态的轨道分支。^13.

数字2．归一化的发射光谱和SIV的状态转换^-．图片来源:https://www.nature.com/articles/欧洲杯猜球平台ncomms4328

平戈特博士和他在哈佛大学(Harvard University)的合作者利用可调谐的悬臂蚀刻成大块钻石，并在顶部和底部植入硅和金属电极，将基态轨道分支分开。在电极上施加电压使悬臂弯曲，从而可靠地对硅空位施加可调谐的应变。

应变对空位的应用导致旋转彼此分开，这对应于能量水平的分裂。通过这种方式，团队增加了SIV的地面态分裂^-从50 GHz到470 GHz。^14.

使用应变控制的地区分裂产生的旋转相干时间为250±20ns的旋转相干时间和4 k的旋转衰减时间为2.5μs，与使用稀释制冷实现100 mk的旋转相干时间相当。^13、14

数字3.．应变诱导的SiV基态分裂^-．图片来源:https://www.nature.com/articles/欧洲杯猜球平台s41467 - 018 - 04340 - 3

使用锡空缺中心增加连贯性时间

Pingault博士和他的小组在彩色中心实现增加的旋转相干时间的持续研究努力表明了tin-vacancy中心(SnV)，带有850 GHz的地面分裂（与SIV相反^-在50 GHz），更适合创造长旋转相干时间。已经测量了3.25 k的11 ms的旋转衰减时间，这比SIV高一倍为1％的数量级^-或类似条件下的GeV中心。^15,16.

色中心量子发射体表征与调谐的实用性

像平戈特博士和他的团队所做的那些集成单光子发射体实验需要严格的实验条件，这些条件可以在许多实验周期中重复，并且可以在长期实验过程中保持(有时一次一个月或更长时间)。研究人员需要设置:

• 低温（<4 k）和高温稳定性。低温确保最小的热噪声和ZPL排放的较高概率。可远程控制的自动设置可以大大提高实验数据收集的吞吐量和反馈。通过减少热膨胀/收缩的漂移量，高温稳定性使SPE保持焦点。
• 机械稳定性以减少振动，从而减少色心相干时间，降低高NA物镜的光学收集效率，或激发集成设备中不必要的机械模式。
• 精确的光纤定位。需要稳定的光纤来最大化来自集成SPE器件的激励和收集光子。纤维通常必须定位，精度优于200nm精度，并且在整个实验中的位置应保持稳定。
• 高数值孔径物镜最大化光子的收集并提供单个颜色中心的衍射限制成像。收集效率对于提高观察量子器件操作的可能性非常重要，从而减少执行实验所需的时间量。
• 微波电气触点可用于为用于分割能量水平的条带线，以及天然气管直通的可用于调整器件属性或调整谐振腔。

为了最好地实现这些实验要求，我们蒙大拿乐器冷冻杆菌使用高Na真空物镜来进行实验。冷冻机是一种高性能的光学低温恒温器，以满足量子材料和量子信息科学研究所需的严格测量条件。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球精确的温度控制，低热波动和纳米级振动提供了稳定的光学和电气测量环境，用于高收集效率。快速冷却，宽温度范围内的自动化操作模式（3.2 k - 350 k），遥控器提供了彩色中心和SPE研究的理想工具。

图4。用于表征和调谐色彩料理发射器的实验组示意图。图像信用：蒙大拿乐器

结论

SIV和SNV中心等IV组颜色中心使有希望的旋转QUBITS。它们的光学性质和大应变易感性允许量子网络节点的单光子接口，这是朝着实际芯片光子集成的主要步骤。

在完整的网络研讨会上，Pingault博士在上面的实验中评出细节，展示可调谐的SPE器件，可以耦合用于量子信息科学应用程序。欧洲杯线上买球墙壁博士然后讨论了用于设置低温平台的考虑，具有适当的低振动和高数值孔径，可用于表征和调整颜色中心。要查看更详细的结果，数字和示例实验设置，请下载下面的全幻灯片牌。或者，查看完整的记录这里生活网络研讨会．

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参考资料及进一步阅读

1. 固态单光子发射器。自然光子学10,631-641（2016年）。
2. 普朗克，M. Über eine Verbesserung der wenschen Spektralgleichung。在Von Kirchhoff Bis Planck：Theoriederwärmestrahlung在Historisch-Kritischer Darstellung（ed.Schöpf，H.-G.）175-178（Vieweg + Teubner Verlag，1978）。DOI：10.1007 / 978-3-663-13885-3_15。
3. 关于光电效应的量子和经典场论预测之间的实验区别。(1973)。
4. Meyer-Scott，E.，Silberhorn，C.＆Migdall，A.单光子源：通过多路复用接近理想。科学仪器审查91,041101（2020）。
5. Neu，E。等等。化学气相沉积铱上纳米金刚石中硅空位色心的单光子发射。新的期刊。025012(2011)。
6. Sipahigil,。等等。在金刚石中分离的硅空位中心无法区分的光子。物理。rev. lett。113、113602(2014)。
7. Sipahigil,。等等。Quantum-光网络的一体钻石纳米光电学平台。欧洲杯线上买球354年,847 - 850(2016)。
8. 埃文斯,r E。等等。金刚石纳米腔中量子发射体间光子介导的相互作用。欧洲杯线上买球362年,662 - 665(2018)。
9. Pingault，B。等等。金刚石中硅空位自旋相干暗态的全光学形成。物理。rev. lett。113,263601（2014）。
10. 罗杰斯，L. J.等等。金刚石中单硅空位旋转的全光初始化，读出和相干准备。物理。rev. lett。113、263602(2014)。
11. Pingault，B。等等。金刚石中硅空位旋转的相干控制。自然通信15579(2017)。
12. 贝克尔,j . N。等等。在Millikelvin温度下硅金刚旋转的硅空位旋转的全光学控制。物理。rev. lett。120、053603(2018)。
13. Sukachev, D D。等等。钻石中的硅空位旋转量子位：量子记忆超过10毫秒，单次读出单次读出。物理。rev. lett。119,223602（2017）。
14. Sohn，Y.I。等等。通过其应变环境控制钻石旋转量子位的相干性。自然通信2012(2018)。
15. Iwasaki, T。等等。金刚石中的锡空位量子发射器。物理。rev. lett。119、253601(2017)。
16. 基于Sn注入| ACS光子学的金刚石单光子发射光学中心。https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.7b00904．
17. 蒙大拿仪器低温光学|。https://www.montanainstruments.com/Products/Cryo-Optic/．

这些信息来源于蒙大拿仪器公司提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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