Dans le cas des réseaux quantiques, les centres de couleur du diamant, qui sont des défauts intentionnellement ajoutés à un cristal de diamant, sont cruciaux pour générer et maintenir des états quantiques stables sur de longues distances.

Lorsqu'ils sont stimulés par la lumière externe, ces centres de couleur du diamant émettent des photons porteurs d'informations sur leurs états électroniques internes, en particulier les états de spin. L'interaction entre les photons émis et les états de spin des centres de couleur permet de transférer des informations quantiques entre différents nœuds des réseaux quantiques.

Un exemple bien connu de centres de couleur dans le diamant est le centre de lacune d'azote (NV), où un atome d'azote est ajouté à côté des atomes de carbone manquants dans le réseau du diamant. Cependant, les photons émis par les centres de couleurs NV n'ont pas de fréquences bien définies et sont affectés par les interactions avec l'environnement, ce qui rend difficile le maintien d'un système quantique stable.

Pour résoudre ce problème, un groupe international de chercheurs, dont le professeur agrégé Takayuki Iwasaki de l'Institut de technologie de Tokyo, a développé un seul centre de lacunes en plomb chargé négativement (PbV) dans le diamant, où un atome de plomb est inséré entre les lacunes voisines dans un cristal de diamant. .

Dans l'étude publiée dans la revue Physical Review Letters le 15 février 2024, les chercheurs révèlent que le centre PbV émet des photons de fréquences spécifiques qui ne sont pas influencées par l'énergie vibratoire du cristal. Ces caractéristiques font des photons des porteurs fiables d'informations quantiques pour les réseaux quantiques à grande échelle.

Pour des états quantiques stables et cohérents, le photon émis doit être limité par la transformation, ce qui signifie qu'il doit avoir le minimum possible d'étalement de sa fréquence. De plus, il devrait avoir une émission dans la ligne zéro phonon (ZPL), ce qui signifie que l'énergie associée à l'émission de photons est uniquement utilisée pour modifier la configuration électronique du système quantique, et n'est pas échangée avec les modes de réseau vibrationnel (phonons). dans le réseau cristallin.

Pour fabriquer le centre PbV, les chercheurs ont introduit des ions plomb sous la surface du diamant par implantation ionique. Un processus de recuit a ensuite été effectué pour réparer tout dommage causé par l’implantation des ions plomb. Le centre PbV résultant présente un système de spin 1/2, avec quatre états d'énergie distincts, l'état fondamental et l'état excité étant divisés en deux niveaux d'énergie.

Lors de la photoexcitation du centre PbV, les transitions électroniques entre les niveaux d'énergie ont produit quatre ZPL distincts, classés par les chercheurs comme A, B, C et D en fonction de l'énergie décroissante des transitions associées. Parmi ceux-ci, la transition C s'est avérée avoir une largeur de raie limitée par transformation de 36 MHz.

"Nous avons étudié les propriétés optiques de centres PbV uniques sous excitation résonante et avons démontré que la transition C, l'un des ZPL, atteint presque la limite de transformation à 6,2 K sans relaxation ni diffusion spectrale induite par les phonons", explique le Dr Iwasaki. .

Le centre PbV se distingue par sa capacité à maintenir sa largeur de raie à environ 1,2 fois la limite de transformation à des températures aussi élevées que 16 K. Ceci est important pour obtenir une visibilité d'environ 80 % en cas d'interférence à deux photons. En revanche, les centres de couleurs comme SiV, GeV et SnV doivent être refroidis à des températures beaucoup plus basses (4 K à 6 K) pour des conditions similaires.

En générant des photons bien définis à des températures relativement élevées par rapport aux autres centres de couleur, le centre PbV peut fonctionner comme une interface quantique lumière-matière efficace, qui permet aux informations quantiques d'être transportées sur de longues distances par les photons via des fibres optiques.

"Ces résultats peuvent ouvrir la voie pour que le centre PbV devienne un élément de base pour la construction de réseaux quantiques à grande échelle", conclut le Dr Iwasaki.