シリコンでのCセンター欠陥：量子メモリ

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シリコンは量子技術の成熟したプラットフォームであり、欠陥量子エミッターの統合に多くの利点があります。最近の実験では、シリコンに単一の量子エミッターを実装することが可能であることが示されています。シリコンのCセンター（CIOI0欠陥）は、電気通信Lバンドで高い電子スピン状態を持っているため、CMOS互換技術を介して炭素および酸素欠陥を含むシリコンにスケーラブルな量子エミッターを作成できます。ただし、電子構造特性の理解が不足しているため、Cセンター排出源の供給源はまだ量子ビットとは見なされません。この研究は、電子スピンの量子状態を初期化および読み取りするための量子光学プロトコルを確立し、電子スピンから隣接する29SI核スピンに量子情報を転送することにより量子メモリを実装しました。

図1 SIの欠陥の幾何学的形状と電子構造

研究チームは、欠陥の主要なゼロフィールド分割（ZFS）パラメーターを特定し、第一原理の計算を使用してハイパーフィン軌道とスピン軌道間の相互作用を計算しました。著者は、磁気共鳴測定の光学的検出に適したトリプル電子スピン状態のコヒーレントな操作と読み取りのためのスピン選択的光学期間を提案します。この研究では、シリコンのCセンターのスピン相互作用を調査し、電子スピン量子ビットコヒーレント操作の重要なゼロフィールド分割値を発見しました。彼らは、対称性によって許可されたスピン軌道結合を決定し、励起状態間の結合遷移を明らかにしました。結果は、シリコン内のCセンターが通信繊維の量子通信の単一光子源であるだけでなく、三重項状態で光学的に読み取ることができるスピン状態でもあることを示しています。

図2シミュレートされたフォトルミネッセンススペクトル

この研究は、低温ナノスケールセンシングや量子通信アプリケーションなど、この欠陥を利用するいくつかの量子技術アプリケーションへの扉を開きます。

図3提案された量子プロトコル：CセンターODMRの量子プロトコル。赤と青の矢印は、それぞれ蛍光と蛍光を示します。青い破線の矢印は、蛍光へのスピン選択ISCの主な寄与を強調しています。破線は、基底状態から弱いISCを表しています。オレンジ線は、マイクロ波励起を使用したコヒーレントスピンコントロールに対応しています。

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