SUPER och femtosekunders spinn-bevarande koherent excitation av ett tenn-vakansfärgcentrum i diamant

Ett nytt sätt att tala med enstaka atomer av ljus

Föreställ dig att kunna slå om en kvantbrytare i ett litet fel i en diamantkristall en biljon gånger snabbare än ett ögonblick, och få den att spotta ut enstaka, precist kontrollerade ljuspartiklar. Denna studie visar hur forskare gör just detta med ett särskilt fel som kallas ett tenn-vakanscenter. Deras metoder kan göra det enklare att bygga kvantnätverk — framtida ”internet” för säker överföring av kvantinformation — genom att lösa ett längevarande problem: hur man renodlat skiljer kontroll-lasern från de sköra fotoner som bär budskapet.

Varför små fel i diamant spelar roll

I en i övrigt perfekt diamant är ett tenn-vakanscenter en plats där en tennatom och en tom plats ersätter två kolatomer. Denna lilla imperfektion beter sig som en artificiell atom som kan lagra kvantinformation i en elektrons spinn och avge den som individuella fotoner. Tenn-vakanscentra är särskilt attraktiva eftersom de behåller sin färg stabilt och kan bevara kvanttillstånd under förvånansvärt långa tider, även vid relativt lättåtkomliga temperaturer. Det gör dem till lovande byggstenar för kvantminnen, enkel-fotonkällor och i förlängningen långdistanskvantlänkar mellan avlägsna enheter.

Utmaningen med ren kvantljus

För att skapa användbart kvantljus måste forskare excitera defekten med en laser och sedan samla in de fotoner den emitterar. Idealiskt bör lasern placera elektronen i ett väl definierat exciterat tillstånd utan att röra till dess kvantinformation, så att den emitterade fotonen kan bli sammanflätad med elektronens spinn. Att göra detta med en laser ställd exakt mot defektens huvudsakliga optiska transition fungerar väl i teorin, men i praktiken skapar det ett allvarligt problem: excitationslasern och de emitterade enkelfotonerna har nästan identiska färger. Att separera dem kräver då kluriga knep med polarisering, timing eller komplexa optiska strukturer, och de knepen slänger vanligtvis bort en stor del av de värdefulla fotonerna.

Använda färgavvikelse för att få kontroll

Författarna angriper problemet med en strategi kallad SUPER-schemat, som använder två ultrsnabba laserpulser vars färger båda är något rödförskjutna från huvudtransitionen. Var för sig är varje puls för långt från resonans för att excitera defekten effektivt. Men tillsammans, med noggrant valda frekvenser, varaktigheter och intensiteter, samarbetar de för att "svinga upp" elektronen från grundtillståndet till det exciterade tillståndet på ett kontrollerat sätt. Eftersom pulserna är detunade med hundratals miljarder cykler per sekund kan enkla spektrala filter blockera laserljuset samtidigt som de släpper igenom de emitterade fotonerna. Teamet visar experimentellt att denna icke-resonanta metod koherent kan överföra mer än hälften av populationen — redan tillräckligt för en kvantlogikport — och simuleringar indikerar att måttligt mer effekt skulle pressa fidelity till nästan perfekt inversion.

Pressa kvantportar in i femtosekundregimen

Utöver denna off-resonanskontroll utforskar forskarna även den snabbaste möjliga direkta drivningen av huvudtransitionen. Med en specialiserad "pulsskär" formar de laserpulser som sträcker sig från pikosekunder ner till femtosekunder — så korta att ljus knappt färdas en hårsbredds längd under en puls. Med dessa formade pulser observerar de Rabi-oscillationer, ett kännetecken för koherent kontroll, och demonstrerar rotationer som motsvarar flera fullständiga vändningar av den optiska qubiten. Avgörande är att de verifierar att fotonerna som produceras efter sådan ultrasnabb kontroll verkligen är enstaka fotoner, och de uppskattar koherenstider som stöder flera operationer inom det exciterade tillståndets naturliga livslängd.

Bevara spinnet och dela sammanflätning

För kvantnätverk är elektronens spinn lika viktigt som ljuset den avger. Teamet studerar därför hur deras kontrollpulser påverkar spintillstånden i närvaro av ett magnetfält. Detaljerade simuleringar visar att SUPER-pulser i princip kan överföra en lika superposition av spintillstånd från grund- till exciterat nivå med mycket hög fidelity och bevara den känsliga fazinformationen. Experiment som mäter hur spinpopulationerna relaxerar över tiotals mikrosekunder avslöjar ingen mätbar extra blandning orsakad av SUPER-pulserna, vilket stödjer idén att den optiska kontrollen i praktiken lämnar spinnqubiten i stort sett orörd. Byggt på detta föreslår författarna ett sammanflätningsprotokoll där två avlägsna diamantdefekter exciteras samtidigt med bredbandspulser, och sedan kombineras deras emitterade fotoner på en stråldelnare. När båda detektorerna registrerar en foton hamnar spinnnen hos de två avlägsna defekterna i ett sammanflätat tillstånd, redo att fungera som noder i ett kvantnätverk.

Vad detta betyder för framtida kvantenheter

Tillsammans visar dessa framsteg att det är möjligt att kontrollera ett tenn-vakanscenters optiska transition på ultrasnabba tidsskalor samtidigt som spinninformationen bevaras och kontrolljuset renodlas från emitterade fotoner. SUPER-schemat erbjuder ett praktiskt sätt att generera högkvalitativa enkelfotoner utan invecklade filtreringssystem, och femtosekundsgrindarna öppnar dörren för att utföra många operationer inom den korta livslängden för ett exciterat tillstånd, även i starkt förstärkta optiska kaviteteter. När dessa tekniker förfinas och utvidgas till andra fasta emitterare kan de bli nyckelingredienser för skalbara kvantrepearers, multi-qubit-sammanflätningsprotokoll och robusta kvantsensorer byggda av små, konstruerade fel i diamant.

Citering: 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

Nyckelord: tenn-vakanscentrum, diamantfärgcentra, ultrasnabb kvantkontroll, enkel-fotonkällor, kvantnätverk