SUPER и фемто-секундное спиновосхраняющее когерентное возбуждение центров цвета с оловом-вакансиями в алмазе

Новый способ взаимодействовать с единичными «атомами» света

Представьте, что можно переворачивать квантовый переключатель внутри крошечного дефекта в кристалле алмаза в триллион раз быстрее моргания глаза и заставлять его испускать отдельные, строго контролируемые частицы света. В этой работе показано, как исследователи добиваются именно этого с конкретным дефектом, называемым центром олово-вакансия. Их методы могут упростить создание квантовых сетей — будущих «интернетов» для защищённой передачи квантовой информации — решив давнюю проблему: как чисто отделить управляющий лазер от хрупких фотонов, несущих сигнал.

Почему имеют значение крошечные дефекты в алмазе

В идеальном алмазе центр олово-вакансия — это место, где атом олова и пустая позиция заменяют два атома углерода. Эта крошечная несовершенство ведёт себя как искусственный атом, способный хранить квантовую информацию в спине электрона и выпускать её в виде отдельных фотонов. Центры олово-вакансия особенно привлекательны тем, что они сохраняют стабильный спектр и могут удерживать квантовые состояния в удивительно долгие времена даже при относительно доступных температурах. Это делает их перспективными строительными блоками для квантовых запоминающих устройств, источников одиночных фотонов и, в конечном счёте, для дальнобойных квантовых связей между устройствами.

Проблема чистого квантового света

Чтобы получить полезный квантовый свет, учёным нужно возбудить дефект лазером и затем собрать испущенные им фотоны. В идеале лазер должен поместить электрон в чётко определённое возбужденное состояние, не нарушая его квантовую информацию, чтобы испущенный фотон мог запутаться со спином электрона. Теоретически это хорошо работает при резонансной настройке лазера на основную оптическую переходную линию дефекта, но на практике возникает серьёзная проблема: возбуждающий лазер и испускаемые одиночные фотоны имеют почти одинаковую частоту. Их разделение требует хитрых приёмов с поляризацией, временными окнами или сложными оптическими структурами, которые обычно отбрасывают большую часть ценных фотонов.

Использование отступлений в цвете для управления

Авторы решают эту проблему с помощью стратегии, называемой схемой SUPER, которая использует два ультракоротких лазерных импульса с длинами волн, слегка сдвинутыми в сторону красного по сравнению с основной переходной линией. Каждый из импульсов по отдельности слишком далёк от резонанса, чтобы эффективно возбуждать дефект. Но вместе, при тщательно подобранных частотах, длительностях и интенсивностях, они взаимодействуют так, что «поднимают» электрон из основного состояния в возбужденное управляемым образом. Поскольку импульсы отстроены на сотни миллиардов циклов в секунду, простые спектральные фильтры могут блокировать свет лазера, пропуская испускаемые фотоны. Команда экспериментально показывает, что такой нерезонансный подход может когерентно перенести более половины населённости — уже достаточной для квантового элемента — а моделирование указывает, что умеренное увеличение мощности доведёт добротность инверсии почти до идеала.

Перенос квантовых вентилей в фемтосекундную область

Помимо этого вне-резонансного управления, исследователи изучают и максимально быстрое прямое возбуждение основной оптической переходной линии. Используя специализированный «формирователь импульсов», они создают лазерные импульсы от пикосекунд до фемтосекунд — такие короткие, что свет за время импульса проходит всего лишь ширину человеческого волоса. С этими сформированными импульсами они наблюдают рабиевские колебания, характерный признак когерентного управления, и демонстрируют вращения, соответствующие множественным полным переворотам оптического кубита. Что важно, они подтверждают, что фотоны, полученные после такого ультрабыстрого управления, действительно являются одиночными фотонами, и оценивают времена когерентности, поддерживающие выполнение многих операций в пределах естественного времени жизни возбужденного состояния.

Сохранение спина и распространение запутанности

Для квантовых сетей спин электрона так же важен, как и свет, который он испускает. Поэтому команда изучает, как их управляющие импульсы влияют на спиновые состояния в присутствии магнитного поля. Детальные моделирования показывают, что импульсы SUPER в принципе могут перенести равную суперпозицию спиновых состояний из основного в возбужденное состояние с очень высокой достоверностью, сохранив тонкую фазовую информацию. Эксперименты по измерению релаксации спиновой населённости на десятки микросекунд не выявляют заметного дополнительного смешения, вызванного импульсами SUPER, что поддерживает идею о том, что оптическое управление по сути не трогает спиновый кубит. Основываясь на этом, авторы предлагают протокол запутывания, в котором два удалённых дефекта в алмазе возбуждаются одновременно широкополосными импульсами, а затем их испущенные фотоны совмещаются на разделителе пучка. Когда оба детектора регистрируют фотон, спины двух удалённых дефектов оказываются в запутанном состоянии, готовыми служить узлами квантовой сети.

Что это значит для будущих квантовых устройств

В совокупности эти достижения показывают, что возможно управлять оптическим переходом центра олово-вакансия на ультрабыстрых временных масштабах, при этом сохраняя спиновую информацию и чисто разделяя управляющий свет от испущенных фотонов. Схема SUPER предлагает практичный способ генерировать высококачественные одиночные фотоны без сложных фильтрующих систем, а фемтосекундные вентии открывают возможность выполнения множества операций в краткий срок жизни возбужденного состояния, даже в сильно усиленных оптических резонаторах. По мере того как эти методы совершенствуются и переносятся на другие твердофазные эмиттеры, они могут стать ключевыми компонентами масштабируемых квантовых ретрансляторов, протоколов многокубитного запутывания и надёжных квантовых сенсоров, созданных из крошечных инженерных дефектов в алмазе.

Цитирование: Torun, C.G., Gökçe, M., Bracht, T.K. et al. SUPER and femtosecond spin-conserving coherent excitation of a tin-vacancy color center in diamond. Nat Commun 17, 2154 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69911-1

Ключевые слова: центр олово-вакансия, цветовые центры в алмазе, ультрабыстрый квантовый контроль, источники одиночных фотонов, квантовые сети