Вчені додають кристалічної чистоти квантовим сигналам алмазу

Кажуть, що за деревами можна сумувати за лісом. Але часто варто уважніше придивитися до дерев, щоб зрозуміти, що вони густі, ожинисті. Ось що зробила група зі Стенфордського університету, щоб вирішити складну квантово-інформаційну проблему в алмазі.

Будучи зірковим матеріалом для розміщення квантової інформації, алмаз, тим не менш, представляє проблему: сигнали від частинок квантової інформації, вбудованих в алмаз, часто безладні та суперечливі. Вчені запропонували пояснення цієї невідповідності, але їм потрібен був спосіб дослідити складові частини алмазу, щоб виявити винуватця.

Стенфордська група на чолі з Дженніфер Діонн зробила саме це, використовуючи потужний мікроскоп, щоб збільшити структуру діаманта на атомному рівні. У статті, опублікованій в PNAS, команда продемонструвала, що строката внутрішня частина алмазу значною мірою пояснює хаотичні сигнали від вбудованих у нього квантових бітів.

«Не було хорошого способу співвіднести структуру кубіта — квантового біта — з випромінюваним сигналом, але дослідники спостерігали значну неоднорідність випромінювання», — сказав Діонн, заступник директора Q-NEXT і професор Стенфордського університету. матеріалознавства та, люб’язно, радіології. «Ми звернулися до проблеми, пов’язавши структуру атомного масштабу з квантовими властивостями».

Кремнієва вакансія

Група працювала з типом кубіта, який називається кремнієвим центром вакансій. Два атоми вуглецю видаляються з алмазу і замінюються атомом кремнію. Оскільки один атом займає місце двох, по обидва боки від атома кремнію є щілина — напівзаповнена дірка.

Кремнієві центри вакансій є перспективними для квантових датчиків, які можуть досягти у багато разів вищої точності, ніж сучасні найкращі інструменти, а також для квантових комунікаційних мереж, які за своєю квантовою природою є практично захищеними від прослуховування.

Група Dionne перевірила центри вакансій кремнію в наночастинках алмазу, крихітних шматочках алмазу, які мають кілька сотень нанометрів у поперечнику. Як правило, кілька вакансій розкидані по всьому зразку, як отвори в губці.

Сигнал від центру вакансії приймає форму фотона — частинки світла. В ідеальному світі вакансія в алмазі діє як надійна фабрика фотонів, надійно виробляючи фотони того самого типу щоразу, коли вони сходять з конвеєра — того самого кольору, тієї ж яскравості.

«Нам потрібні нерозрізнені фотони», — сказав Деніел Енджелл, перший автор статті, який проводив дослідження, будучи аспірантом Стенфордського університету.

Але вчені спостерігали різні кольори та яскравість фотонів, що вилітали з їхніх алмазних джерел. Це змусило групу Dionne копати глибше.

Багатогранність алмазу

Діамант – річ строката. Як і більшість кристалів, алмаз складається з областей, які стикаються одна з одною, як цеглинки Lego неправильної форми. Регіони — або домени — відрізняються своїми атомними «зернами», як зерна деревини. Домен з атомами, розташованими по діагоналі, може прилягати до іншого з орієнтацією спереду назад.

Команда використовувала скануючий просвічуючий електронний мікроскоп, щоб досліджувати домени один за іншим, вимірюючи випромінювання фотонів від кожного — надточне завдання, яке було б практично неможливе з менш потужним інструментом. Вони почали помічати закономірність.

«Ми продовжували дивитися на ці діаманти і зрештою могли почати бачити ці дійсно круті, дуже чіткі області випромінювання фотонів — профіль фотонів відрізнявся б від однієї області до іншої», — сказав Енджелл.

Висновок був кристально ясним: домени мають значення.

Зерно кожного домену формує вакансію всередині нього, розтягуючи або стискаючи його. Тоді як вакансія в одному домені може бути стиснута в один бік, а вакансія в сусідньому будинку може бути напружена по-іншому. Група виявила, що спосіб напруження вакансії впливає на властивості випромінюваного фотона, так само як і його розташування в структурі зерна.

Вчені вимірювали нечіткі або суперечливі сигнали від алмазу, оскільки вони розглядали зразок як єдине джерело, єдиний випромінювач фотонів. Але зразок алмазу містить кілька щільно упакованих доменів, кожен з яких містить свій власний випромінювач фотонів. Дослідники вимірювали сигнал від лісу, а не від дерев.

«Положення вакансії в кристалі має значення», — сказав Діонн. «Різні кристалічні грані алмазу та особлива орієнтація кристала можуть мати значний вплив як на яскравість, так і на колір випромінювання».

Навіть вакансії, розташовані на невеликій відстані одна від одної, можуть генерувати помітно різні випромінювання фотонів.

«Ми спостерігали абсолютно дискретний стрибок у сигналі випромінювання, коли дві вакансії були в межах лише 5 нанометрів одна від одної», — сказав Енджелл. «Побачити цю майже ідеальну лінію поділу між викидами на нанорозмірі — чіткий зсув у викидах — це те, чого я ніколи раніше не бачив. Це справді переконливі дані для перегляду».

Кришталева прозорість

Енджелл пов’язав різні типи деформації зерна з їхніми відповідними профілями фотонів, надаючи дослідникам карту деформації та випромінювання з високою роздільною здатністю, щоб краще зрозуміти їхні власні висновки. Хоча сорт зерна не єдиний фактор, що впливає на нечіткі фотонні сигнали, група Діонна показала, що він відіграє значну роль.

«Ми вказуємо на те, що важливо точно знати основну зернисту структуру кристалічних частинок, які вивчаються. Якщо ви збираєте випромінювання від усієї частинки та маєте розмите випромінювання, це, ймовірно, тому, що в них є якась межа зерен. Ви збираєте різні вакансії з різними підписами, і ви цього не знаєте», — сказав Енджелл.

Їхня робота також має ширший охоплення, що стосується інших членів сімейства кубітів центрів вакансій.

«Були відкриті двері для великої кількості досліджень, які забезпечують точну кореляцію між структурою та функціями у квантових системах і, зрештою, покращують квантовий зв’язок, квантову мережу та квантове зондування», — сказав Діонн.