Квантовая память на димерах ¹³С-¹³С в алмазе с NV-центрами: моделирование методами квантовой химии

Индивидуальные электронно-ядерные спиновые системы в твердых телах являются перспективными платформами для реализации квантовых технологий второго поколения. Среди них признанным лидером является отрицательно заряженный центр окраски азот—вакансия (NV-центр) в алмазе, сверхтонко взаимодействующий с ядерными спинами изотопического углерода-13 (¹³С), которые вследствие слабого взаимодействия с окружением широко используются в качестве квантовой памяти в разрабатываемых квантовых технологиях. В последнее время для этой цели были предложены и стали активно изучаться димеры ¹³C-¹³C в алмазе с NV-центрами, которые в синглетном состоянии имеют чрезвычайно большие времена когерентности (минуты при комнатной температуре). Найдены собственные состояния спин-гамильтониана системы NV-¹³C-¹³C, на основе которых рассчитаны вероятности ЭПР-переходов между ядерно-спиновыми подуровнями состояний NV-центра с проекциями электронного спина m_S = 0 и –1. Полученные выражения создают базу для выбора оптимальных параметров импульсов, переводящих конкретный димер в синглетное состояние. Для выбранных пространственных положений спинов ¹³С в системе NV-¹³С-¹³С с использованием априорных данных о внутренних спин-спиновых взаимодействиях, полученных нами ранее методами квантовой химии, предсказаны оптимальные параметры микроволновых и радиочастотных импульсов для перевода димера ¹³С-¹³С в синглетное состояние.

1. I. Schwartz, J. Rosskopf, S. Schmitt, B. Tratzmiller, Q. Chen, L. P. McGuinness, F. Jelezko, M. B. Plenio. Sci. Rep., 9 (2019) 6938

2. J. F. Barry, J. M. Schloss, E. Bauch, M. J. Turner, C. A. Hart, L. M. Pham, R. L. Walsworth. Rev. Mod. Phys., 92 (2020) 015004

3. N. Zhao, J. Honert, B. Schmid, M. Klas, J. Isoya, M. Markham, D. Twitchen, F. Jelezko, R.-B. Liu, H. Fedder, J. Wrachtrup. Nat. Nanotech., 7 (2012) 657—662

4. S. Kolkowitz, Q. P. Unterreithmeier, S. D. Bennett, M. D. Lukin. Phys. Rev. Lett., 109 (2012) 137601

5. T. H. Taminiau, J. J. T. Wagenaar, T. Van der Sar, F. Jelezko, V. V. Dobrovitski, R. Hanson. Phys. Rev. Lett., 109 (2012) 137602

6. A. Dréau, J. R. Maze, M. Lesik, J. F. Roch, V. Jacques. Phys. Rev. B, 85 (2012) 134107

7. C. Mȕller, X. Kong, J.-M. Cai, K. Melentijević, A. Stacey, M. Markham, D. Twitchen, J. Isoya, S. Pezzagna, J. Meijer, J. F. Du, M. B. Plenio, B. Naydenov, L. P. Mcguinnes, F. Jelezko. Nat. Comm., 5 (2014) 4703

8. J. Zopes, K. S. Cujia, K. Sasaki, J. M. Boss, K. M. Itoh, C. L. Degen. Nat. Comm., 9 (2018) 4678

9. K. Sasaki, K. M. Itoh, E. Abe. Phys. Rev. B, 98 (2018) 121405

10. M. H. Abobeih, J. Randall, C. E. Bradley, H. P. Bartling, M. A. Bakker, M. J. Degen, M. Markham, D. J. Twitchen, T. H. Taminiau. Nature, 576 (2019) 411—415

11. K. S. Cujia, K. Herb, J. Zopes, J. M. Abendroth, C. L. Degen. Nat. Comm., 13 (2022) 1260

12. V. Vorobyov, J. Javadzade, M. Joliffe, F. Kaiser, J. Wrachtrup. Appl. Mag. Res., 53 (2022) 1317—1330

13. D. D. Awschalom, R. Hanson, J. Wrachtrup, B. B. Zhou. Nature Photon., 12 (2018) 516—527

14. D. R. Glenn, D. B. Bucher, J. Lee, M. D. Lukin, H. Park, R. L. Walsworth. Nature, 555 (2018) 351—354

15. Q. Chen, I. Schwarz, M. B. Plenio. Phys. Rev. B, 95 (2017) 224105

16. G. Stevanato, J. T. Hill-Cousins, P. Håkansson, S. S. Roy, I. J. Brown, R. C. D. Brown, G. Pileio, M. H. Levitt. Angew. Chem. Int. Ed., 54 (2015) 3740—3743

17. M. H. Levitt. J. Magn. Res., 306 (2019) 69—74

18. N. Zhao, J.-H. Hu, S.-W. Ho, J. T. K. Wan, R.-B. Liu. Nat. Nanotech., 6 (2011) 242—246

19. F. Shi, X. Kong, P. Wang, F. Kong, N. Zhao, R.-B. Liu, J. Du. Nat. Phys., 10 (2014) 21—25

20. W.-L. Ma, R.-B. Liu. Phys. Rev. Appl., 6 (2016) 024019

21. M. H. Abobeih, J. Cramer, M. A. Bakker, N. Kalb, M. Markham, D. J. Twitchen, T. H. Taminiau. Nat. Comm., 9 (2018) 2552

22. C. E. Bradley, J. Randall, M. H. Abobeih, R. C. Berrevoets, M. J. Degen, M. A. Bakker, M. Markham, D. J. Twitchen, T. H. Taminiau. Phys. Rev., 9 (2019) 031045

23. Z. Yang, X. Kong, Z. Li, K. Yang, P. Yu, P. Wang, Y. Wang, X. Qin, X. Rong, Ch.-K. Duan, F. Shi, J. Du. Adv. Quant. Technol., 3 (2020) 1900136

24. H. P. Bartling, M. H. Abobeih, B. Pingault, M. J. Degen, S. J. H. Loenen, C. E. Bradley, J. Randall, M. Markham, D. J. Twitchen, T. H. Taminiau. Phys. Rev., 12 (2022) 011048

25. F. Ramsey. Phys. Rev., 91 (1953) 303—307

26. L. M. K. Vandersypen, I. L. Chuang. Rev. Mod. Phys., 76 (2004) 1037—1069

27. R. E. Wasylishen. eMagRes. (2009), doi: 10.1002/9780470034590.emrstm1023

28. K. J. Harris, D. L. Bryce, R. E. Wasylishen. Can. J. Chem. (2009) 1338—1351

29. L. Frydman. Annu. Rev. Phys. Chem., 52 (2001) 463—498

30. B. Reif, S. E. Ashbrook, L. Emsley, M. Hong. Nat. Rev. Methods Primers, 1 (2021) 1—23

31. J. Vaara, J. Jokisaari, R. E. Wasylishen, D. L. Bryce. Prog. Nucl. Magn. Res. Spectrosc., 41 (2002) 233—304

32. S. Schmitt, T. Gefen, F. M. Stürner, T. Unden, G. Wolff, Ch. Müller, J. Scheuer, B. Naydenov, M. Markham, S. Pezzagna, J. Meijer, I. Schwarz, M. Plenio, A. Retzker, L. P. McGuinness, F. Jelezko. Science, 356 (2017) 832—837

33. J. M. Boss, K. S. Cujia, J. Zopes, C. L. Degen. Science, 356 (2017) 837—840

34. D. B. Bucher, D. R. Glenn, H. Park, M. D. Lukin, R. L. Walsworth. Phys. Rev., 10 (2020) 021053

35. A. Nizovtsev, A. Pushkarchuk, S. Kuten, D. Michels, D. Lyakhov, N. Kargin, S. Kilin. Mater. Proc. 9 (2022) 4

36. S. Felton, A. M. Edmonds, M. E. Newton, P. M. Martineau, D. Fisher, D. J. Twitchen, J. M. Baker. Phys. Rev. B, 79 (2009) 075203

37. Д. А. Варшалович, А. Н. Москалев, В. К. Херсонский. Квантовая теория углового момента, Ленинград, Наука (1975)

38. G. E. Pake. J. Chem. Phys., 16 (1948) 327—336

39. A. P. Nizovtsev, S. Y. Kilin, A. L. Pushkarchuk, V. A. Pushkarchuk, S. A. Kuten, O. A. Zhikol, S. Schmitt, T. Unden, F. Jelezko. New J. Phys., 20 (2018) 023022