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

तकनीकी सारांश: विद्युत रिक्तीकरण (electrical depletion) द्वारा चुंबकीय शोर के नियंत्रण से प्राप्त मिनट-लंबी क्वांटम सुसंगतता (coherence)

समस्या विवरण
सॉलिड-स्टेट स्पिन दोष (spin defects), जैसे कि सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) में पाए जाने वाले, अपने स्पिन-फोटॉन इंटरफेस और परमाणु स्पिन मेमोरी तक पहुंच के कारण क्वांटम संचार और सेंसिंग के लिए आशाजनक प्लेटफॉर्म हैं। हालांकि, उनकी उपयोगिता अक्सर होस्ट मैट्रिक्स में मौजूद दोषों और अशुद्धियों से उत्पन्न अनियंत्रित विद्युत और चुंबकीय शोर (noise) द्वारा सीमित होती है। जबकि सामग्री इंजीनियरिंग रणनीतियों—जैसे कि आइसोटोपिक शुद्धिकरण और विकास अनुकूलन—ने इन शोर स्रोतों को कम किया है, वे उन्हें पूरी तरह से समाप्त नहीं कर पाते हैं। फलस्वरूप, मौजूदा दृष्टिकोण अक्सर अवशिष्ट शोर (residual noise) को कम करने के लिए जटिल हैमिल्टनियन इंजीनियरिंग (डिकपलिंग अनुक्रमों) पर निर्भर करते हैं, जो क्वांटम प्रोटोकॉल में हस्तक्षेप कर सकता है। एक ऐसी विधि की आवश्यकता बनी हुई है जो डिवाइस संरचना के भीतर इन सीटू (in situ) रूप से विद्युत और चुंबकीय दोनों शोरों को सक्रिय रूप से दबा सके, ताकि केवल सामग्री की पूर्णता पर निर्भर रहने के बजाय रिकॉर्ड-तोड़ सुसंगतता समय (coherence times) प्राप्त किया जा सके।

कार्यप्रणाली (Methodology)
लेखकों ने एक आइसोटोपिक रूप से शुद्ध (99.85% $^{28}$Si, 99.98% $^{12}$C) 4H-SiC p-i-n डायोड में अंतर्निहित न्यूट्रल डाइवैकेंसी ($VV^0$) स्पिन दोषों के प्रभाव का अध्ययन किया। प्रयोगात्मक सेटअप में शामिल था:

• डिवाइस संरचना: एक कस्टम-ग्रोन p-i-n डायोड जिसमें दोष के पास एक इंट्रिन्सिक क्षेत्र है, जिसे 4° ऑफ-एक्सिस n-टाइप सबस्ट्रेट पर बनाया गया था।
• विद्युत ट्यूनिंग: टीम ने डायोड को फॉरवर्ड बायस से रिवर्स बायस में बदलने के लिए बायस वोल्टेज लागू किया, विशेष रूप से रिक्तीकरण शासन (depletion regime) को लक्षित करते हुए जहाँ विद्युत क्षेत्र दोष के पास के चार्ज वाहकों और ट्रैप्स को रिक्त (deplete) कर देता है।
• ऑप्टिकल लक्षण वर्णन: $VV^0$ उत्सर्जन के स्टार्क शिफ्ट (Stark shifts) और ऑप्टिकल लाइनविड्थ (linewidths) को मापने के लिए रेजोनेंट फोटोल्यूमिनेसेंस एक्साइटेशन (PLE) का उपयोग किया गया।
• स्पिन सुसंगतता माप:
  • इलेक्ट्रॉन स्पिन: $VV^0$ इलेक्ट्रॉन स्पिन ($S=1$) के डीफेजिंग दरों ($T_2^*$ और $T_2$) को विभिन्न बायस स्थितियों के तहत मापने के लिए रामसे (Ramsey) और हैन इको (Hahn echo) अनुक्रमों का उपयोग किया गया। चुंबकीय शोर योगदान को अलग करने के लिए डबल-क्वांटम (DQ) रामसे माप का उपयोग किया गया।
  • परमाणु स्पिन: एक पड़ोसी $^{29}$Si परमाणु स्पिन ($I=1/2$) की पहचान की गई और इलेक्ट्रॉन स्पिन पर डायनेमिकल डिकपलिंग (XY8 अनुक्रम) का उपयोग करके इसे सुसंगत रूप से नियंत्रित किया गया। परमाणु स्पिन को स्पिन-टू-चार्ज कन्वर्जन (SCC) के माध्यम से आरंभ (initialize), मैनिपुलेट और रीड आउट किया गया।
  • दीर्घकालिक स्थिरता: धीमी शोर गतिशीलता और परमाणु स्पिन रिलैक्सेशन ($T_1$) को देखने के लिए विस्तारित रामसे माप (22.5 घंटों तक) किए गए।

प्रमुख योगदान और परिणाम

1. विद्युत और चुंबकीय शोर का एक साथ रिक्तीकरण: अध्ययन यह प्रदर्शित करता है कि SiC p-i-n डायोड को रिवर्स-बायस रिक्तीकरण शासन (विशेष रूप से -80 V पर) में संचालित करने से विद्युत और चुंबकीय दोनों शोर स्रोतों में महत्वपूर्ण कमी आती है।

   • ऑप्टिकल सुधार: शून्य बायस पर ~80 MHz से $VV^0$ की ऑप्टिकल लाइनविड्थ घटकर रिक्तीकरण शासन में 18(1) MHz हो गई, जो प्राकृतिक लाइनविड्थ सीमा के करीब है।
   • इलेक्ट्रॉन स्पिन सुसंगतता: इलेक्ट्रॉन स्पिन रामसे सुसंगतता समय ($T_2^*$) लगभग 50% बढ़कर 320(30) $\mu$s हो गया, और हैन इको समय ($T_2$) 25% सुधरकर 1.9(1) ms हो गया। डबल-क्वांटम रामसे मापों ने पुष्टि की कि यह सुधार केवल विद्युत शोर से नहीं, बल्कि चुंबकीय शोर में कमी से प्रेरित है।
   • चुंबकीय शोर का मूल: लेखक इस चुंबकीय शोर में कमी का श्रेय दोष के पास पैरामैग्नेटिक चार्ज ट्रैप्स (जैसे नाइट्रोजन अशुद्धियाँ और कार्बन रिक्तियां) के विद्युत रिक्तीकरण को देते हैं, जो उन्हें स्पिनलेस चार्ज अवस्थाओं में बदल देता है।

2. रिकॉर्ड-तोड़ परमाणु स्पिन सुसंगतता: कम चुंबकीय शोर वाले वातावरण और "फ्रोजन कोर" प्रभाव (जहाँ $m_s = -1$ अवस्था में इलेक्ट्रॉन स्पिन पास के स्पिनों में ध्रुवीकरण हस्तांतरण को रोकता है) का लाभ उठाकर, लेखकों ने एक एकल $^{29}$Si परमाणु स्पिन के लिए अभूतपूर्व सुसंगतता समय प्राप्त किया।

   • रिलैक्सेशन: रिक्तीकरण शासन में परमाणु स्पिन रिलैक्सेशन समय ($T_1$) दोगुना हो गया।
   • रामसे सुसंगतता: जब इलेक्ट्रॉन स्पिन को $m_s = -1$ में तैयार किया गया, तो परमाणु स्पिन $T_2^*$ 690(40) ms तक पहुँच गया।
   • हैन इको सुसंगतता: सबसे उल्लेखनीय रूप से, परमाणु स्पिन हैन इको सुसंगतता समय ($T_2$) को 105 सेकंड (99% विश्वास के साथ) का निचला स्तर (lower bound) मापा गया। यह किसी भी एकल स्पिन प्लेटफॉर्म (सॉलिड-स्टेट, परमाणु या आयनिक) के लिए अब तक दर्ज की गई सबसे लंबी सुसंगतता समय है।

3. स्केलिंग लॉ (Scaling Law): लेखकों ने एक स्केलिंग संबंध देखा जहाँ परमाणु स्पिन रामसे समय में वृद्धि, रिलैक्सेशन समय में वृद्धि के वर्गमूल के अनुरूप है ($T_2^*/T_2^* \approx \sqrt{T_1/T_1}$), जो सूक्ष्म स्पिन-बाथ मॉडल के अनुरूप है जहाँ डीफेज़िंग और रिलैक्सेशन एक ही प्रकार के कमजोर रूप से परस्पर क्रिया करने वाले चुंबकीय अशुद्धियों के समूह से उत्पन्न होते हैं।

महत्व
यह शोध दावा करता है कि ये परिणाम सामग्री नियंत्रण को इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस इंजीनियरिंग के साथ एकीकृत करने के महत्वपूर्ण महत्व को प्रदर्शित करते हैं। एक साधारण सेमीकंडक्टर डायोड संरचना का उपयोग करके शोर स्रोतों को इन सीटू रूप से खाली करके, लेखकों ने केवल सामग्री विकास अनुकूलन की सीमाओं को पार कर लिया है। यह दृष्टिकोण सक्षम बनाता है:

• रिकॉर्ड सुसंगतता: जटिल डायनेमिकल डिकपलिंग अनुक्रमों या विशिष्ट क्लॉक ट्रांजिशन पॉइंट्स की आवश्यकता के बिना मिनट-लंबी सुसंगतता समय प्राप्त करना।
• स्केलेबिलिटी: यह प्रदान करना कि कैसे शास्त्रीय इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण को वेफर-स्केल SiC प्लेटफॉर्म पर क्वांटम ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के साथ एकीकृत किया जा सकता है, जो पहले से ही उच्च-शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में परिपक्व है।
• क्वांटम नेटवर्किंग: इंजीनियर किए गए उपकरणों में दोनों ऑप्टिकल और स्पिन गुणों को संरक्षित करके अत्यधिक सुसंगत क्वांटम नोड्स और नेटवर्क की नींव स्थापित करना, जो नैनोस्ट्रक्चर में देखे जाने वाले गुणों के क्षरण को दूर करने की क्षमता रखता है।

यह कार्य सुझाव देता है कि स्थानीय वातावरण का सक्रिय विद्युत इंजीनियरिंग सॉलिड-स्टेट क्यूबिट प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, जो उच्च-सटीकता वाले क्वांटम सूचना प्रसंस्करण और सेंसिंग के लिए एक मार्ग प्रदान करता है।