RSS
وبینارهای شاخه فیزیک آماری انجمن فیزیک ایران
چهارمین گردهمایی یک‌روزه بانوان در فیزیک ایران هشتمین کنفرانس فیزیک ریاضی ایران کنفرانس فیزیک ایران ۱۴۰۳
نقص‌هایی که در ابعاد اتمی در الماس وجود دارند و مراکز جای‌خالی سیلیکون نامیده می‌شوند نامزدهای امیدبخشی هستند که می‌توان از آنها به عنوان مولفه‌های ذخیره اطلاعات استفاده کرد. گروه‌های پژوهشی مستقلی که توسط فدر جلزکو (Fedor Jelezko) از دانشگاه اولم آلمان [3] و میتی آتاتغه (Mete Atatüre ) از دانشگاه کمبریج در انگلستان رهبری می‌شوند زمان همدوسی T*2 اسپینی یک مرکز جای‌خالی سیلیکون (SiV) باردار منفی را اندازه گرفته‌اند. زمان همدوسی٬ یک کمیت اساسی است که مشخص می‌کند برهم‌نهی همدوسی حالات بالا و پائین چه مدت دوام می‌آورد. اگرچه زمان همدوسی اندازه‌گیری شده٬ تنها در مرتبه‌ی ده‌ها نانوثانیه است٬ تعدادی راه‌کار وجود دارد تا این میزان را افزایش داده و به نقطه‌ای برساند که مراکز SiV بتوانند برای استفاده در اینترنت کوانتومی بادوام و ماندگار باشند.
هرچند ممکن است اینترنت کوانتومیِ آینده شکل‌های مختلفی به خود گیرد اما بخش مهم و مرکزی آن بیت‌های کوانتومی (کیوبیت‌ها) خواهند بود. کیوبیت‌ها قادرند اطلاعات را ذخیره و حمل کنند [1,2]. نقص‌های جای‌خالی سیلیکونی از تک‌اسپینی برخوردارند که حالت کوانتومی آن (همچون یک برهم‌نهی مابین اسپین «بالا» و «پائین») می‌تواند اطلاعات را رمزنگاری کند. این اطلاعات ذخیره شده به شکلی دقیق بر روی نوری که این نقص‌ها از خود گسیل می‌کنند حک می‌شود. این نور زمانی گسیل می‌شود که نقص‌ها به شکل اپتیکی برانگیخته شوند.
برای تمام کاندیدهایی که برای کیوبیت‌ها وجود دارد٬ بین کنترلِ بهتر و سریع‌تر و زمان همدوسیِ بالا موازنه‌ای وجود دارد. حالات اسپینی یون‌های معلق در خلاء٬ زمان همدوسی T*2 نزدیک به یک دقیقه دارند [5] (اینجا را ببینید)٬ اما چرخش آنها فرآیندی آهسته است. برای مقایسه٬ حالات اسپینی الکترون در نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا را می‌توان به شکل الکتریکی یا اپتیکی سریعاً به چرخش درآورد اما بهترین زمان‌های همدوسی که تاکنون مشاهده شده معمولاً کمتر از میکروثانیه است [6]. کیوبیت‌های اسپینی مربوط به این نقص‌ها در الماس مابین این دو حد قرار می‌گیرند: چون الماس گاف نواری بزرگی دارد حالات زیادی وجود ندارند که یک کیوبیت اسپینی بتواند به آنها واپاشی کند و در برخی از نقص‌ها حالت اسپینی قادر است سریعاً با نور بچرخد. تاکنون پژوهش‌های فراوانی بر روی حالات اسپینی مربوط به مراکز جای‌خالی نیتروژن (NV) متمرکز بوده است. در این نقص‌ها یک اتم نیتروژن با یک اتم کربن که پس از یک جایگاه اتمی خالی قرار گرفته٬ جایگزین می‌شود. حالات اسپینی مراکز NV زمان همدوسی در حدود میکروثانیه دارند و حتی در دماهای اتاق نیز قابل کنترل‌اند [7].
در مرکز SiV٬ سیلیکون با یکی از اتم‌های کربن از دست‌رفته جایگزین می‌شود. شبیه مرکز NV٬ مرکز SiV باردار منفی حامل یک اسپین الکترونی در حالت پایه‌ی خود است. اما برخلاف تشابهاتی که بین آن دو وجود دارد٬ تفاوت‌های مهمی نیز وجود دارند: اتم N و جای‌خالی مجاور آن تقارن بلور الماس را درهم می‌شکنند. در مقابل اتم Si در مرکز SiV در میانه‌ی جایگاه‌های دو اتم کربن مجاور قرار می‌گیرد (شکل ۱). چون این ترکیب‌بندی بلحاظ وارونی متقارن است٬ مرکز SiV نسبت به افت‌وخیزهای میدان الکتریکی نسبتاً غیرحساس است. درنتیجه فوتون‌هایی که از مرکز SiV گسیل می‌شوند پهنای خط باریکی حول یک نقطه‌ی پیک واضح دارند [8]. این ویژگی در کاربردهای ارتباطات کوانتومی (همچون فراهم‌کردن فوتون‌های غیرقابل تمیز که قابلیت درهم‌تنیدگی دارند) مطلوب است. سرانجام در مراکز SiV در مقایسه با مراکز NV٬ احتمال کمتری وجود دارد تا انرژی بواسطه‌ی ارتعاشات برانگیخته (فونون‌ها) در شبکه‌ی پیرامونی الماس تلف گردد.
مرکز SiV٬ برخلاف ویژگی‌های بسیاری که برای ارتباطات کوانتومی برای آن وجود دارد یک محدویت و نقص نیز دارد: حالت پایه‌ی آن شامل دو حالت تبهگن با پیکربندی‌های اربیتالیِ متفاوت است. بنابراین این نقص نسبت به واپیچش شبکه‌ای ناپایدار است؛ پدیده‌ای که اثر جان-تلر (JT) استاتیکی نامیده می‌شود. بعلاوه اندرکنش‌هایی که مابین الکترون‌ها در مرکز SiV و فونون‌های شبکه رخ می‌دهد باعث می‌شود مرکز SiV مابین دو اربیتال حالت پایه‌ی خود سریعاً سوئیچ‌زنی کند؛ پدیده‌ای که به اثر جان-تلر دینامیکی معروف است. چون میزان جفت‌شدگی حالت اسپینی به حالت اربیتالی ضعیف است بنابراین انتظار می‌رود اثر JT٬ زمان همدوسی اسپینی مرکز SiV را محدود سازد اما این‌که تا چه اندازه باعث محدود شدن این همدوسی خواهد بود هنوز مشخص نیست.
برای اندازه‌گیری زمان همدوسی یک مرکز SiV جلزکو و همکارانش [3] و آتاتغه و یارانش [4] تکنیکی را به انجام رسانده‌اند که به تله‌ی جمعیتیِ همدوس (CPT) معروف است. این فناوری برای مطالعه‌ی مراکز NV استفاده شده است [9]. در این طرح از دو میدان لیزری با فاز ثابت برای جفت‌کردن حالت پایه‌ی اسپینی (بالا و پائین) با یک حالت برانگیخته‌ی مشترک استفاده می‌شود (شکل ۲ سمت چپ). به ازای یک فاز و دامنه‌ی معین از میدان‌های لیزری برانگیخته٬ سیستم در داخل یک «حالت تاریک» به تله می‌افتد؛ حالتی که یک برهم‌نهی همدوس و ویژه از دو حالت پایه است. این حالت تاریک چون نمی‌تواند بلحاظ اپتیکی برانگیخته شود٬ مانعی بر گسیل فوتون شده و باعث می‌شود وقتی لیزرها به حالت «تشدید دوفوتونی» تنظیم می‌شوند (نقطه‌ای که در آن یک فوتون می‌تواند بشکل مجازی جذب شود و بدون از دست دادن انرژی بازگسیل گردد)٬ افت باریکی در طیف برانگیختگی بوجود آید. چون ناهمدوسیِ اسپینی تمایل دارد تا این حالت تاریک را با دو حالت دیگر ترکیب کند و باعث هرچه سطحی‌تر شدن و پهن‌شدن افت گردد٬ می‌توان زمان همدوسی را مابین دو حالت اسپینی از عمق و پهنای افت ایجاد شده (شکل دو سمت راست) بدست آورد. این گروه‌های پژوهشی CPT را بر روی مراکز SiV در الماس اجرا کرده و یک زمان همدوسی ۳۵ نانوثانیه‌ای [3] و ۴۵ نانوثانیه‌ای [4] را در دمای حدود ۴ کلوین مشخص کردند (علامت ستاره‌ای که در T*2 نشان داده می‌شود زمان همدوسی را نشان می‌دهد که در طول زمان اندازه‌گیری بر روی آن متوسط‌گیری شده است).
شکل ۱) دو نقص در الماس. مرکز نیتروژن جای‌خالی (NV) (سمت چپ) و مرکز سیلیکون جای‌خالی (SiV) (سمت راست) هر دو یک اسپین دارند که می‌تواند اطلاعات را نگهداری کند که قابیلت دستکاری به شکل اپتیکی را دارد. با این وجود مرکز SiV تقارن وارونی شبکه‌ی الماس را در هم نمی‌شکند؛ ویژگی که به گسیل نور از نقص منجر می‌شود که نقطه‌ی پیک تیزتری (در یک فرکانس ویژه) نسبت به آن‌چه مرکز NV گسیل می‌کند دارد.
شکل ۲) تله‌ی جمعیتی همدوس. (سمت چپ) دو لیزر٬ سطوح انرژی مربوط به حالات اسپینی مخالف را به یک حالت برانگیخته‌ی اسپینی مشترک برانگیخته می‌کند. وقتی نامیزانی Δ ناشی از تشدید دوفوتونی کوچک است٬ سطوح به یک حالت تاریک واهلش می‌کند که در آن برانگیختگی و بازگسیل نور فرو‌کش می‌کند. (سمت راست) در عدم حضور ناهمدوسی٬ وقتی نامیزانی کوچک است (منحنی قرمزرنگ) گسیل به صفر نزدیک می‌شود. وقتی آهنگ ناهمدوسی افزایش می‌یابد٬ افتِ گسیل کم‌عمق‌تر و پهن‌تر می‌شود (منحنی‌های بنفش٬ آبی و فیروزه‌ای رنگ).
این اندازه‌گیریِ جدید نشان می‌دهد که مرکز SiV٬ از یک اسپین در حالت پایه‌ی خود برخوردار است؛ چیزی که در آزمایش‌های پیشین به آن اشاره شده بود [10]. این پژوهش همچنین این موضوع را آشکار می‌سازد که چه سازوکاری موجب می‌شود تا زمان همدوسی اسپینی محدود شود. شواهد موجودی که جلزکو و همکارانش [3] ارائه داده‌اند مشخص می‌کند که عامل اصلی٬ سازوکار JT دینامیکی القا شده توسط فونون‌هاست. آتاتغه و همکارانش بر این باورند که میدان افت‌وخیز کننده‌ای که توسط اسپین‌های نقصِ حول و حوش مرکز SiV تولید می‌شود نیز می‌تواند همدوسی را کاهش دهد.
راهکارهای مختلفی برای مقابله با عواملی که موجب غیرهم‌فاز شدن می‌شوند وجود دارد. سهم فونون در این فرآیند را می‌توان با شکل‌دهی الماس به صورت یک ساختار نواری فوتونی کاهش داد؛ چیزی که جلوی اثر JT دینامیکی را می بندد. نوفه‌ی مغناطیسی را می‌توان با استفاده از طرح‌های عدم‌جفت‌سازی دینامیکی کاهش داد. رهیافت جالب دیگری وجود دارد که در آن اتم سیلیکون ۲۸ را (که اسپین هسته‌ای صفر دارد) با ایزوتوپ سیلیکون ۲۹ (که اسپین هسته‌ای یک‌دوم دارد) جایگزین می‌شود و از اسپین هسته‌ای بعنوان یک حافظه‌ی کوانتومی طولانی‌مدت بهره می‌برد. پیش‌تر سطوح فوق‌ریز سیلیکون ۲۹ توسط جلزکو و همکارانش [3] تعیین شده و روش‌هایی برای انتقال کیوبیت‌ها مابین اسپین‌های الکترونی و هسته‌ای وجود دارد [11,12]. از مراکز SiV در یک شبکه‌ی کوانتومی می‌توان به عنوان یک تکرارساز کوانتومی استفاده کرد که عملکرد آن ارتقاء اطلاعات حک‌شده بر روی فوتون‌هاست. برای رسیدن به این هدف لازم است مراکز SiV زمان‌های همدوسی نزدیک به میلی‌ثانیه داشته باشند (شبیه آن‌چه در مرکز NV اتفاق می‌افتد). اگر بتوان به این مهم دست یافت امید است تا بتوان از مراکز SiV به عنوان رابطی بین اسپین-فوتون در شبکه‌های کوانتومی آینده استفاده کرد.
این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.
مراجع:
1. D. P. DiVincenzo, “The Physical Implementation of Quantum Computation,” Fortschr. Phys. 48, 771 (2000).
2. H. J. Kimble, “The Quantum Internet,” Nature 453, 1023 (2008).
3. Lachlan J. Rogers et al., “All-Optical Initialization, Readout, and Coherent Preparation of Single Silicon-Vacancy Spins in Diamond,”Phys. Rev. Lett. 113, 263602 (2014).
4. Benjamin Pingault, Jonas N. Becker, Carsten H. H. Schulte, Carsten Arend, Christian Hepp, Tillmann Godde, Alexander I. Tartakovskii, Matthew Markham, Christoph Becher, and Mete Atatüre, “All-Optical Formation of Coherent Dark States of Silicon-Vacancy Spins in Diamond,” Phys. Rev. Lett. 113, 263601 (2014).
5. T. P. Harty, D. T. C. Allcock, C. J. Ballance, L. Guidoni, H. A. Janacek, N. M. Linke, D. N. Stacey, and D. M. Lucas, “High-Fidelity Preparation, Gates, Memory, and Readout of a Trapped-Ion Quantum Bit,” Phys. Rev. Lett. 113, 220501 (2014).
6. D. D. Awschalom, L. C. Bassett, A. S. Dzurak, E. L. Hu, and J. R. Petta, “Quantum Spintronics: Engineering and Manipulating Atom-Like Spins in Semiconductors,” Science 339, 1174 (2013).
7. M. W. Doherty, N. B. Manson, P. Delaney, F. Jelezko, J. Wrachtrup, and L. C. L. Hollenberg, “The Nitrogen-Vacancy Colour Centre in Diamond,” Phys. Rep. 528, 1 (2013).
8. E. Neu, D. Steinmetz, J. Riedrich-Möller, S. Gsell, M. Fischer, M. Schreck, and C.Becher, “Single Photon Emission from Silicon-Vacancy Colour Centres in Chemical Vapour Deposition Nano-Diamonds on Iridium,” New J. Phys. 13, 025012 (2011).
9. E. Togan, Y. Chu, A. Imamoglu, and M. D. Lukin, “Laser Cooling and Real-Time Measurement of the Nuclear Spin Environment of a Solid-State Qubit,” Nature 478, 497 (2011); C. G. Yale, B. B. Buckley, D. J. Christle, G. Burkard, F. J. Heremans, L. C. Bassett, and D. D. Awschalom, “All-Optical Control of a Solid-State Spin Using Coherent Dark States,” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 7595 (2013).
10. T. Müller, C. Hepp, B. Pingault, E. Neu, S. Gsell, M. Schreck, H. Sternschulte, D. Steinmüller-Nethl, C. Becher, and M. Atatüre, “Optical Signatures of Silicon-Vacancy Spins in Diamond,” Nature Commun. 5, 3328 (2014).
11. M. V. G. Dutt, L. Childress, L. Jiang, E. Togan, J. Maze, F. Jelezko, A. S. Zibrov, P. R. Hemmer, and M. D. Lukin, ”Quantum Register Based on Individual Electronic and Nuclear Spin Qubits in Diamond,” Science 316, 1312 (2007).
12. G. D. Fuchs, G. Burkard, P. V. Klimov, and D. D. Awschalom, “A Quantum Memory Intrinsic to Single Nitrogen-Vacancy Centres in Diamond,” Nature Phys. 7, 789 (2011).
درباره‌ی نویسنده:
گیدو بورکاد (Guido Burkard) به تحصیل فیزیک در ETH زوریخ پرداخته و مدرک پی‌اچ‌دی خود را از دانشگاه باسلِ سوئیس اخذ کرده است. از سال ۲۰۰۸ استاد تمام دانشگاه کنستانس آلمان است. وی پس از انتصاب به پسادکترا در IBM مرکز پژوهشی تی‌جی واتستون در یورکتون تگزاسِ نیویورک٬ از اعضای هیئت علمی در دانشگاه RWTH آخن و استادیار SNF دانشگاه باسل بوده است. علائق پژوهشی وی شامل نظریه‌ی ماده چگال و اطلاعات کوانتومی با تمرکز بر پردازش اطلاعات کوانتومی برپایه‌ی اسپین است.
منبع:
Diamond Spins Shining Bright
نویسنده خبر: بهنام زینال‌وند فرزین
آمار بازدید: ۲۳۷
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»
Server:
Iran (45.82.138.40)
