Estudio de la decoherencia cuántica de centros nitrógeno-vacancia en diamante usando métodos estocásticos

Abstract

Investigamos la decoherencia de un centro nitrógeno-vacancia (NV) en el diamante debido al baño mesoscópico de 13C en las próximas esferas de coordinación. Para ello, se hace un estudio sobre la teoría que conforma al NV, analizando las propiedades que lo distinguen como excelente candidato a computador cuántico. Se estudia el modelo spin central Heisenberg XY uniforme con el cual se demuestra propiedades que tiene el tamaño del baño y el tiempo sobre la decoherencia. Posterior se hace un estudio riguroso sobre el método estocástico conformado por saltos estocásticos y evolución unitaria (PDP) y se comprueba su exactitud sobre el modelo previamente estudiado. Finalmente, se aplica este método sobre el sistema NV. Se encuentra que la decoherencia depende directamente sobre el número de núcleos adyacentes, dando tiempos de coherencia menores entre el numero de estos es mayor en una misma esfera de coordinación. Se encuentra además que la decoherencia tiene que ser estudiada con los términos isotrópicos y dipolares, por lo cual las aproximaciones no son válidas en estas esferas de coordinación. La presencia de un campo magnético tiene distintos efectos sobre la coherencia, marcando una distinción de campos grandes, intermedios y pequeños, cada uno mostrando efectos distintos en la evolución de la coherencia. Las posiciones de los núcleos pueden llevar a dar tiempos de coherencia menores para la quinta esfera de coordinación que para la tercera. Los resultados obtenidos pueden ser usados para contrarrestar efectos de decoherencia en sitios donde el NV pueda ser usado como registrador cuántico.

We investigated the decoherence of a nitrogen-vacancy (NV) center in diamond due to the 13C mesoscopic bath in the next coordination spheres. A study is made on the theory that makes up NV, analyzing the properties that distinguish it as an excellent candidate for a quantum computer.The uniform Heisenberg XY central spin model is studied. The properties of this analytical solution show dependence on the bath size and the time. Subsequently, a rigorous study is made on the stochastic method consisting of stochastic jumps and unitary evolution (PDP). Its accuracy is verified on the previously studied model. Finally, this method is applied on the NV system. It is found that the decoherence depends directly on the number of adjacent nuclei, giving lower coherence times between the number of these is greater in the same coordination sphere. It is also found that decoherence has to be studied with the isotropic and dipolar terms, so the approximations are not valid in these coordination spheres. The presence of a magnetic field has different effects on coherence, marking a distinction between large, intermediate and small fields, each one showing different effects on the evolution of the coherence. The positions of the nuclei can lead to lower coherence times for the fifth coordination sphere than for the third. The results obtained can be used to counteract decoherence effects in places where the NV can be used as a quantum register.