Minute-long quantum coherence enabled by electrical depletion of magnetic noise

Resumen Técnico: Coherencia cuántica de un minuto habilitada por la deplesión eléctrica del ruido magnético

Planteamiento del Problema
Los defectos de espín en estado sólido, como los presentes en el carburo de silicio (SiC), son plataformas prometedoras para la comunicación y detección cuántica debido a sus interfaces espín-fotón y al acceso a memorias de espín nuclear. Sin embargo, su utilidad se ve a menudo limitada por el ruido eléctrico y magnético incontrolado proveniente de defectos e impurezas en la matriz huésped. Aunque las estrategias de ingeniería de materiales —como la purificación isotópica y la optimización del crecimiento— han reducido estas fuentes de ruido, no las eliminan por completo. En consecuencia, los enfoques existentes suelen depender de una compleja ingeniería de Hamiltoniano (secuencias de desacoplamiento) para mitigar el ruido residual, lo que puede interferir con los protocolos cuánticos. Existe la necesidad de métodos que puedan suprimir activamente tanto el ruido eléctrico como el magnético in situ dentro de una estructura de dispositivo para lograr tiempos de coherencia récord sin depender únicamente de la perfección del material.

Metodología
Los autores investigaron el impacto del control de la polarización en un diodo p-i-n de 4H-SiC (purificado isotópicamente con 99.85% de $^{28}$Si y 99.98% de $^{12}$C) que contiene defectos de espín de divacancia neutra ($VV^0$) embebidos. El montaje experimental consistió en:

• Estructura del Dispositivo: Un diodo p-i-n cultivado a medida con una región intrínseca que contiene el defecto $VV^0$, fabricado sobre un sustrato tipo n de 4° de desorientación (off-axis).
• Sintonización Eléctrica: El equipo aplicó voltajes de polarización al diodo para transicionar de polarización directa a polarización inversa, apuntando específicamente al régimen de deplesión donde el campo eléctrico deplesiona los portadores de carga y las trampas cercanas al defecto.
• Caracterización Óptica: Se utilizó la excitación de fotoluminiscencia resonante (PLE) para medir los desplazamientos Stark y las anchuras de línea ópticas de la emisión del $VV^0$.
• Mediciones de Coherencia de Espín:
  • Espín Electrónico: Se realizaron secuencias de Ramsey y Hahn echo en el espín electrónico del $VV^0$ ($S=1$) para medir las tasas de desfase ($T_2^*$ y $T_2$) bajo diferentes condiciones de polarización. Se utilizaron mediciones de Ramsey de doble cuantización (DQ) para aislar las contribuciones del ruido magnético.
  • Espín Nuclear: Se identificó un espín nuclear $^{29}$Si vecino ($I=1/2$) y se controló coherentemente mediante técnicas de desacoplo dinámico (secuencias XY8) en el espín electrónico. El espín nuclear fue inicializado, manipulado y leído mediante conversión espín-carga (SCC) en el $VV^0$.
  • Estabilidad a Largo Plazo: Se realizaron mediciones de Ramsey extendidas (hasta 22.5 horas) para observar la dinámica de ruido lento y la relajación del espín nuclear ($T_1$).

Contribuciones Clave y Resultados

1. Deplesión Simultánea del Ruido Eléctrico y Magnético: El estudio demuestra que operar el diodo p-i-n de SiC en el régimen de deplesión de polarización inversa (específicamente a -80 V) reduce significativamente tanto las fuentes de ruido eléctrico como las magnéticas.

   • Mejora Óptica: La anchura de línea óptica del $VV^0$ se estrechó de ~80 MHz a polarización cero a 18(1) MHz en el régimen de deplesión, acercándose al límite de la anchura de línea natural.
   • Coherencia del Espín Electrónico: El tiempo de coherencia de Ramsey del espín electrónico ($T_2^*$) aumentó aproximadamente un 50% a 320(30) $\mu$s, y el tiempo de Hahn echo ($T_2$) mejoró un 25% a 1.9(1) ms. Las mediciones de Ramsey de doble cuantización confirmaron que esta mejora es impulsada por una reducción del ruido magnético, no solo del ruido eléctrico.
   • Origen del Ruido Magnético: Los autores atribuyen la reducción del ruido magnético a la deplesión eléctrica de las trampas de carga paramagnéticas (como las impurezas de nitrógeno y las vacantes de carbono) cerca del defecto, convirtiéndolas en estados de carga sin espín.

2. Coherencia de Espín Nuclear Récord: Al aprovechar el entorno de ruido magnético reducido y el efecto de "núcleo congelado" (donde el espín electrónico en el estado $m_s = -1$ suprime la transferencia de polarización a los espines cercanos), los autores lograron tiempos de coherencia sin precedentes para un espín nuclear $^{29}$Si individual.

   • Relajación: El tiempo de relajación del espín nuclear ($T_1$) se duplicó en el régimen de deplesión.
   • Coherencia de Ramsey: El $T_2^*$ del espín nuclear alcanzó 690(40) ms cuando el espín electrónico se preparó en $m_s = -1$.
   • Coherencia de Hahn Echo: Notablemente, el tiempo de coherencia de Hahn echo del espín nuclear tuvo un límite inferior de 105 segundos (con un 99% de confianza). Esto representa el tiempo de coherencia más largo reportado para un solo espín en cualquier plataforma de qubit (estado sólido, atómica o iónica) hasta la fecha.

3. Ley de Escala: Los autores observaron una relación de escala donde la mejora en el tiempo de Ramsey del espín nuclear se correlaciona con la raíz cuadrada de la mejora en el tiempo de relajación ($T_2^*/T_2^* \approx \sqrt{T_1/T_1}$), lo cual es consistente con los modelos de baño de espines microscópicos donde el desfase y la relajación provienen del mismo conjunto de impurezas magnéticas débilmente interactuantes.

Significancia
El artículo afirma que estos resultados demuestran la importancia crítica de integrar el control de materiales con la ingeniería de dispositivos electrónicos. Al utilizar una estructura de diodo de SiC para deplesionar in situ las fuentes de ruido, los autores han superado los límites de la optimización del crecimiento de materiales por sí sola. Este enfoque permite:

• Coherencia Récord: Lograr tiempos de coherencia de minutos para espines nucleares de estado sólido sin la necesidad de secuencias complejas de desacoplo dinámico o puntos de transición de reloj específicos.
• Escalabilidad: Proporcionar una vía para integrar el control electrónico clásico con la optoelectrónica cuántica en plataformas de SiC a escala de oblea, que ya son maduras en la industria de la electrónica de alta potencia.
• Redes Cuánticas: Establecer una base para nodos y redes cuánticas altamente coherentes al preservar tanto las propiedades ópticas como las de espín en dispositivos diseñados, ofreciendo potencialmente una forma de superar la degradación de las propiedades que se observa a menudo en las nanoestructuras.

El trabajo sugiere que la ingeniería eléctrica activa del entorno local es una herramienta poderosa para mejorar el rendimiento de los qubits de estado sólido, ofreciendo una ruta hacia el procesamiento y la detección de información cuántica de alta fidelidad.