Οπτική μέτρηση κβαντικής μη απομίμησης ενός qubit μεμονωμένων σπάνιων γαιών

Οπτική μέτρηση κβαντικής μη απομίμησης ενός qubit μεμονωμένων σπάνιων γαιών Mouktik Raha ,Σονγκτάο Τσεν ,Christopher M. Phenicie ,Salim Ourari ,Alan M. Dibos &Τζεφ Ν. Τόμσον Nature Communications τόμος 11 , Αριθμός άρθρου: 1605 ( 2020 ) Αναφέρατε αυτό το άρθρο 2373 Προσβάσεις 1 Αναφορές 14 Altmetric Λεπτομέρειεςμετρήσεων Αφηρημένη Οι οπτικά διασυνδεδεμένες περιστροφές σε σταθερή κατάσταση είναι μια πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα για κβαντικές τεχνολογίες. Ένα κρίσιμο στοιχείο αυτών των συστημάτων είναι η υψηλής πιστότητας, προβολική μέτρηση της κατάστασης περιστροφής. Εδώ, παρουσιάζουμε την ανάγνωση περιστροφής μίας βολής ενός qubit ιόντων σπάνιων γαιών, Er 3+ , το οποίο είναι ελκυστικό για την οπτική μετάβαση μήκους κύματος τηλεπικοινωνιών και τη συμβατότητά του με νανοφωτονικά κυκλώματα πυριτίου. Σε προηγούμενη εργασία με άτομα και ιόντα με ψύξη με λέιζερ, και ελαττώματα στερεάς κατάστασης, η ανάγνωση περιστροφής πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας φθορισμό σε οπτική μετάβαση κύκλου. Ωστόσο, Er 3+και άλλα ιόντα σπάνιων γαιών γενικά δεν έχουν ισχυρές μεταβάσεις ποδηλασίας. Δείχνουμε ότι η τροποποίηση του ηλεκτρομαγνητικού περιβάλλοντος γύρω από το ιόν μπορεί να αυξήσει την ισχύ και την κυκλικότητα της οπτικής μετάβασης κατά αρκετές τάξεις μεγέθους, επιτρέποντας την ανάγνωση μίας βολής κβαντικής μη-απομίμησης της περιστροφής του ιόντος με πιστότητα 94,6%. Χρησιμοποιούμε αυτήν την ανάγνωση για να ανιχνεύσουμε συνεκτική δυναμική και χαλάρωση της περιστροφής. Εισαγωγή Ατομικά και ατομικά ελαττώματα στη στερεά κατάσταση παρέχουν οπτική διεπαφή σε μεμονωμένα ηλεκτρονικά και πυρηνικά qubits περιστροφής 1 , και χρησιμοποιούνται για μια ποικιλία κβαντικών τεχνολογιών. Ως αισθητήρες, μπορούν να ανιχνεύσουν τη θερμοκρασία και τα μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία με χωρική ανάλυση 2 , 3 , 4 νανοκλίμακας . Στα κβαντικά δίκτυα, η εμπλοκή σπιν-φωτονίων 5 , 6 , 7 επέτρεψε τη ντετερμινιστική εμπλοκή των απομακρυσμένων περιστροφών 8 . Οι περιστροφές ελαττωμάτων έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για την επίδειξη βασικών στοιχείων των επεξεργαστών κβαντικής πληροφορίας, συμπεριλαμβανομένης της διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων 9 και των κβαντικών καταχωρητών 10-qubit με πύλες πολλαπλών qubit 10. Αυτά τα έργα αξιοποιούν κυρίως το καλά μελετημένο κέντρο κενών αζώτου (NV) στο διαμάντι. Ωστόσο, υπάρχει πολύ ευρύτερο φάσμα ελαττωμάτων που μπορεί να είναι επωφελές για συγκεκριμένες εφαρμογές. Για παράδειγμα, τα κέντρα χρώματος SiV - 11 και SiV 0  12 σε διαμάντια υπόσχονται για κβαντικά δίκτυα λόγω της χαμηλής φασματικής διάδοσής τους, ενώ τα κέντρα χρωμάτων στο καρβίδιο πυριτίου 13 μπορεί να είναι ευκολότερο να ενσωματωθούν με συσκευές νανοκλίμακας. Τα σπάνια ιόντα γης είναι μια άλλη οικογένεια ελαττωμάτων που μπορούν να προσφέρουν συνεκτική συνοχή 14 και στενές, σταθερές οπτικές μεταβάσεις (στη ζώνη τηλεπικοινωνιών για την περίπτωση Er 3+ ) 15και μπορεί να προσβληθεί σε ποικιλία κρυστάλλων ξενιστή. Αρκετά πρόσφατα έργα έχουν αρχίσει να ανιχνεύουν μεμονωμένα ιόντα σπάνιων γαιών 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , χρησιμοποιώντας μια οπτική κοιλότητα για να ξεπεράσουν τους χαμηλούς τους εσωτερικούς ρυθμούς εκπομπής φωτονίων 20 , 21 . Μια βασική ικανότητα για ατομικά ελαττώματα είναι η ένδειξη περιστροφής υψηλής πιστότητας χρησιμοποιώντας την οπτική μετάβαση 1 . Οι μετρήσεις οπτικής περιστροφής μίας βολής έχουν επιτευχθεί σε κβαντικές κουκκίδες 22 και στα κέντρα χρωμάτων NV 23 και SiV - 24 σε διαμάντια, αξιοποιώντας εξαιρετικά κυκλικές οπτικές μεταβάσεις που προκύπτουν από κανόνες ατομικής επιλογής. Ωστόσο, οι κυκλικές οπτικές μεταβάσεις δεν αποτελούν καθολικό χαρακτηριστικό ατομικών ελαττωμάτων και συχνά απουσιάζουν σε ελαττώματα χαμηλής συμμετρίας και παρουσία στελέχους 25 ή ζεύξης περιστροφής-τροχιάς χωρίς προσεκτική ευθυγράμμιση του μαγνητικού πεδίου 22 , 24. Η ανάγνωση μιας βολής δεν έχει επιτευχθεί σε ατομικά ελαττώματα χωρίς ενδογενείς μεταβάσεις κύκλου, όπως ιόντα σπάνιων γαιών 26 . Σε αυτήν την εργασία, αποδεικνύουμε ότι η προσαρμογή της ηλεκτρομαγνητικής πυκνότητας καταστάσεων γύρω από ένα άτομο με οπτική κοιλότητα μπορεί να προκαλέσει εξαιρετικά κυκλικές οπτικές μεταβάσεις σε έναν πομπό που δεν είναι φυσικά κυκλικός. Χρησιμοποιώντας ένα μόνο ιόν Er 3+ σε Y 2 SiO 5 (YSO) σε συνδυασμό με νανοφωτονική κοιλότητα πυριτίου (Εικ. 1α), επιδεικνύουμε μεγαλύτερη από 100 φορές αύξηση της κυκλικότητας: υπό συνθήκες όπου η αναλογία διακλάδωσης του γυμνού ιόντος οδηγεί σε περιστροφή μετά από σκέδαση λιγότερων από δέκα φωτονίων, ένα ιόν που συνδέεται με κοιλότητα μπορεί να διασκορπιστεί πάνω από 1200. Αυτό αρκεί για την πραγματοποίηση ανάγνωσης περιστροφής μονής βολής με πιστότητα 94,6%, και για τη δυνατότητα συνεχούς, κβαντικής μέτρησης των κβαντικών αλμάτων μεταξύ των επιπέδων περιστροφής της κατάστασης εδάφους. Η βελτίωση της κυκλικότητας προκύπτει από την επιλεκτική ενίσχυση Purcell της οδού οπτικής αποσύνθεσης που διατηρεί την περιστροφή (Εικ. 1β), που καθορίζεται κυρίως από την ευθυγράμμιση της πόλωσης της κοιλότητας και τον άξονα κβαντοποίησης περιστροφής που ορίζεται από ένα μαγνητικό πεδίο. Μια μικρή επιπρόσθετη ενίσχυση προκύπτει από την αποσύνδεση των μη-συντηρητικών μεταβάσεων περιστροφής από την οπτική κοιλότητα, ένα αποτέλεσμα που χρησιμοποιήθηκε πρόσφατα για την ενίσχυση της κυκλικότητας μιας κβαντικής κουκκίδας σε μια νανοφωτονική κοιλότητα 27 . Αυτή η γενική τεχνική ανοίγει την πόρτα στην εκμετάλλευση ενός πολύ ευρύτερου φάσματος ατομικών ελαττωμάτων για εφαρμογές κβαντικής τεχνολογίας και αποτελεί μια ιδιαίτερη πρόοδο για τα μεμονωμένα απευθυνόμενα ιόντα σπάνιων γαιών.>>>>>>>
.......>>>>>a Η πειραματική συσκευή είναι μια κοιλότητα φωτονικού κρυστάλλου πυριτίου πάνω από έναν κρύσταλλο YSO με Er3 + . Το φως στην κοιλότητα συνδέεται σταδιακά με τα ιόντα Er 3+ . (ένθετο) Ορισμός της γωνίας μαγνητικού πεδίου ( φ , θ ); ( x , y , z ) αναφέρονται στους ( D 1 , D 2 , b ) οπτικούς άξονες του κρυστάλλου YSO. b Χωρίς κοιλότητα, οι μεταβάσεις συντήρησης περιστροφής Α, Β και μεταβάσεις περιστροφής C, D είναι συγκρίσιμες σε ισχύ. Η κοιλότητα ενισχύει επιλεκτικά τα Α, Β, με αποτέλεσμα εξαιρετικά κυκλικές οπτικές μεταβάσεις. ντοΕλλείψει μαγνητικού πεδίου, οι τέσσερις μεταβάσεις είναι εκφυλισμένες και δημιουργούν μια μονή, σταθερή οπτική μετάβαση με πλήρες πλάτος στο μισό μέγιστο των 6 MHz (με κέντρο στο λ  = 1536,48 nm). Ένα μαγνητικό πεδίο ανυψώνει τον εκφυλισμό. Η χρωματική ράβδος υποδηλώνει την ένταση φθορισμού (αυθαίρετες μονάδες). d Ο διαχωρισμός Zeeman είναι έντονα ανισότροπος, μετριέται εδώ εφαρμόζοντας ένα μαγνητικό πεδίο 112G σε διάφορες γωνίες φ ( θ  = 90 ∘ ) κατά την οδήγηση του ιόντος με λέιζερ διαμόρφωσης φάσης που περιέχει συχνότητες f 0  ±  f EOM , όπου f 0 είναι η μετάβαση συχνότητα όταν Β = 0. Η συμπαγής (διακεκομμένη) γραμμή δείχνει την προβλεπόμενη διάσπαση μεταξύ των μεταβάσεων A – B (C – D) 29 .