Decoherence-free quantum-information processing using dipole-coupled qubits

We propose a quantum-information processor that consists of decoherence-free logical qubits encoded into arrays of dipole-coupled qubits. High-fidelity single-qubit operations are performed deterministically within a decoherence-free subsystem without leakage via global addressing of bichromatic laser fields. Two-qubit operations are realized locally with four physical qubits, and between separated logical qubits using linear optics. We show how to prepare cluster states using this method. We include all non-nearest-neighbor effects in our calculations, and we assume the qubits are not located in the Dicke limit. Although our proposal is general to any system of dipole-coupled qubits, throughout the paper we use nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond as an experimental context for our theoretical results.Comment: 7 pages, 5 figure

Spin-flip and spin-conserving optical transitions of the nitrogen-vacancy centre in diamond

We map out the first excited state sublevel structure of single nitrogen-vacancy (NV) colour centres in diamond. The excited state is an orbital doublet where one branch supports an efficient cycling transition, while the other can simultaneously support fully allowed optical Raman spin-flip transitions. This is crucial for the success of many recently proposed quantum information applications of the NV defects. We further find that an external electric field can be used to completely control the optical properties of a single centre. Finally, a group theoretical model is developed that explains the observations and provides good physical understanding of the excited state structure

The nitrogen-vacancy center in diamond re-visited

Symmetry considerations are used in presenting a model of the electronic structure and the associated dynamics of the nitrogen-vacancy center in diamond. The model accounts for the occurrence of optically induced spin polarization, for the change of emission level with spin polarization and for new measurements of transient emission. The rate constants given are in variance to those reported previously.Comment: 12 pages 10 figure

Spin Properties of Germanium-Vacancy Centers in Bulk and Near-Surface Regions of Diamond

Germanium-vacancy (GeV) centers are now studied extensively due to perspectives of their applications in quantum information processing, nanometrology and nanoscale magnetic resonance imaging. One of the important requirements for these applications is a detailed understanding of the hyperfine interactions in such systems. Quantum chemistry simulation of the negatively charged GeV− color center in diamond is the primary goal of this paper in which we present preliminary results of computer simulation of the bulk H-terminated cluster C6969[GeV−]H8484, as well as of the surface cluster C6464[GeV−]H6868_(100)_H1111 having one dangling bond at (1 0 0) surface using the DFT/PW91/RI/def2-SVP level of theory

СТАБИЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОННО-ЯДЕРНЫЕ СПИНОВЫЕ СИСТЕМЫ NV–13C В АЛМАЗЕ ДЛЯ КВАНТОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Using the methods of computational chemistry, we calculated matrices AKL describing hyperfine interactions (HFI) between the electron spin of the color ‘nitrogen-vacancy’ center (NV center) in a diamond and a 13C nuclear spin located somewhere in the Н-terminated carbon cluster C510[NV]H252 hosting the NV center. The rates W0 of the 13C spin flip-flops induced by anisotropic HFI are calculated systematically for all possible locations of 13C in the cluster. It is shown that in the cluster, there are specific positions of nuclear 13C spin, in which it almost does not undergo such flip-flops due to small off-diagonal elements in corresponding matrices AKL. Spatial locations of the 13C stability positions in the cluster are discovered and characteristic splitting values in the spectra of optically detected magnetic resonance (ODMR) for the stable NV–13C systems are calculated, which can be utilized to identify them during their experimental search for use in emerging quantum technologies. It is shown that the positions of the 13C nuclear spin located on the NV center symmetry axis are completely stable (W0 = 0). The characteristics of eight ‘axial’ NV–13C systems are elucidated. The presence of additional ‘non-axial’ near-stable NV–13C spin systems also exhibiting very low flip-flop rates (W0 → 0) due to a high local symmetry of the spin density distribution resulting in vanishing the off-diagonal HFI matrix AKL elements for such systems is revealed for the first time. Spatially, these ‘non-axial’ stable NV–13C systems are located near the plane passing through the vacancy of the NV center and being perpendicular to the NV axis. Analysis of the available publications showed that apparently, some of the predicted stable NV–13C systems have already been observed experimentally. Методами компьютерной химии рассчитаны матрицы AKL, описывающие сверхтонкое взаимодействие (СТВ) электронного спина центра окраски «азот-вакансия» (NV-центра) в алмазе с ядерным спином атома 13С, который расположен в одном из возможных узлов решетки в пассивированном водородом углеродном кластере С510[NV]H252. Выполнен систематический анализ скоростей W0 переворотов ядерных спинов 13С, индуцируемых их анизотропным СТВ с электронным спином NV-центра. Показано, что в кластере имеются специфические позиции ядерного спина 13С, в которых он практически не испытывает таких переворотов вследствие малости недиагональных элементов в соответствующих матрицах AKL. Определено пространственное расположение найденных позиций стабильности в кластере относительно NV-центра и рассчитаны величины характерных расщеплений в спектрах оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) для стабильных систем NV–13C, по которым их можно идентифицировать в процессе их экспериментального поиска для использования в разрабатываемых квантовых технологиях. Показано, что полностью стабильными (W0 = 0) являются позиции ядерного спина, расположенные на оси симметрии NV-центра. Найдены характеристики восьми таких «осевых» систем NV–13C. Впервые обнаружено наличие в кластере дополнительных «неосевых» квазистабильных систем NV–13C, имеющих малые скорости переворотов (W0 .→0) спина 13С вследствие высокой локальной симметрии распределения спиновой плотности, обусловливающей малость недиагональных элементов матриц СТВ для таких систем. Пространственно «не осевые» стабильные системы NV–13C расположены в плоскости, проходящей через вакансию NV-центра перпендикулярно его оси. Выполненный анализ имеющихся литературных данных показал, что, по-видимому, некоторые из предсказанных стабильных систем NV–13C уже наблюдались экспериментально.

Квантово-химическое моделирование метотрексат-фуллереноловых радионуклидных агентов терапии онкологических заболеваний

In order to therapeutically destroy cancer neoplasms, chemotherapy or radiotherapy are commonly used. In the isotope medicine, however, medical isotopes of the short-lived radionuclides are injected into the tumor (59Fe, 90Y, 95Zr, 99mTc, 106Ru, 114*In, 147Eu, 148Eu, 155Eu, 170Tm, 188Re, 210Po, 222Rn, 230U, 237Pu, 240Cm, 241Cm, 253Es). Binary, or neutroncapturing, technology is a technology developed for the selective effect on malignant tumors and using a tropic to tumors preparations containing non-radioactive nuclides (10B, 113Cd, 157Gd et. al.). Triadic technology is a sequential administration of a combination of two or more separately inactive and harmless components tropic to tumor tissues that can selectively accumulate in them or react with each other to destroy tumors under certain external impacts. The aim of this work is the quantum-chemical modeling of the electronic structure and the analysis of the thermodynamic stability of the new methotrexate containing nanoscale fullerenolic radionuclide tumor-fghting agents. The need for preliminary studies on modeling of such objects is caused by the very high labor intensity, cost and complexity of their practical preparation.С целью терапевтического уничтожения онкологических новообразований обычно применяют химиотерапию или лучевую терапию, а в изотопной медицине – вводят в опухоль соответствующие короткоживущие радионуклиды (59Fe, 90Y, 95Zr, 99mTc, 106Ru, 114*In, 147Eu, 148Eu, 155Eu, 170Tm, 188Re, 210Po, 222Rn, 230U, 237Pu, 240Cm, 241Cm, 253Es). Бинарная (или нейтронозахватная) – технология, разработанная для избирательного воздействия на злокачественные новообразования и использующая тропные к опухолям препараты, содержащие нерадиоактивные нуклиды (10B, 113Cd, 157Gd и др.) Триадная – последовательное введение в организм комбинации из двух и более, по отдельности неактивных и безвредных компонентов, тропных к опухолевым тканям и способных в них селективно накапливаться или вступать друг с другом в химическое взаимодействие и уничтожать опухолевые новообразования под действием определенных сенсибилизирующих внешних воздействий. Целью настоящей работы является квантово-химическое моделирование электронной структуры и анализ термодинамической устойчивости новых метотрексатсодержащих фуллереноловых радионуклидных наноразмерных агентов-истребителей опухолевых новообразований. Необходимость предварительных исследований по моделированию такого рода объектов обусловлена очень высокой трудоемкостью, стоимостью и сложностью их практического получения

Квантово-химическое моделирование кортизон-фуллереноловых агентов терапии онкологических заболеваний

In order to therapeutically destroy oncological neoplasms, chemotherapy or radiotherapy is usually applied, and in isotope medicine – short-lived radio nuclides are injected into the tumor (59Fe, 90Y, 95Zr, 99mTc, 106Ru, 114*In, 147Eu, 148Eu, 155Eu, 170Tm, 188Re, 210Po, 222Rn, 230U, 237Pu, 240Cm, 241Cm, 253Es). Binary (or neutron capture) therapy is a technology developed for the selective effect on malignant tumors using drugs that are tropic to tumors and contain non-radioactive nuclides (10B, 113Cd, 157Gd at al.). Triadic therapy involves the sequential introduction into the body of a combination of two or more separately inactive and harmless components, which are tropic to tumor tissues and capable of selectively accumulating in them or chemically interacting with each other and destroying tumor neoplasms under the action of certain sensitizing external influences. The aim of this work is quantum-chemical simulation of the electronic structure and analysis of the thermodynamic stability of new cortisone-fullerenol agents for the treatment of tumor neoplasms. The need for preliminary studies of modeling such objects is due to the very high labor intensity, cost and complexity of their practical production.С целью терапевтического уничтожения онкологических новообразований обычно применяют химиотерапию или лучевую, а в изотопной медицине – вводят в опухоль соответствующие короткоживущие радионуклиды (59Fe, 90Y, 95Zr, 99mTc, 106Ru, 114*In, 147Eu, 148Eu, 155Eu, 170Tm, 188Re, 210Po, 222Rn, 230U, 237Pu, 240Cm, 241Cm, 253Es). Бинарная (или нейтронозахватная) – технология, разработанная для избирательного воздействия на злокачественные новообразования и использующая тропные к опухолям препараты, содержащие нерадиоактивные нуклиды (10B, 113Cd, 157Gd и др.). Триадная – последовательное введение в организм комбинации из двух и более по отдельности неактивных и безвредных компонентов, тропных к опухолевым тканям и способных в них селективно накапливаться или вступать друг с другом в химическое взаимодействие и уничтожать опухолевые новообразования под действием определенных сенсибилизирующих внешних воздействий. В настоящей работе проведены квантово-химическое моделирование электронной структуры и анализ термодинамической устойчивости новых кортизон-фуллереноловых агентов терапии опухолевых новообразований. Необходимость предварительных исследований по моделированию такого рода объектов обусловлена очень высокой трудоемкостью, стоимостью и сложностью их практического получения

Квантово-химическое моделирование доксорубицин-фуллереноловых агентов терапии онкологических заболеваний

In order to therapeutically destroy neoplasms, chemotherapy or radiotherapy is usually applied, and in isotope medicine short-lived radionuclides are injected into the tumor (59Fe, 90Y, 95Zr, 99mTc, 106Ru, 114*In, 147Eu, 148Eu, 155Eu, 170Tm, 177mLu, 188Re, 210Po, 222Rn, 230U, 237Pu, 240Cm, 241Cm, 253Es). Binary (or neutron capture) therapy is a technology designed to selectively treat malignant tumors and using drugs tropic to tumors containing non-radioactive nuclides (10B, 113Cd, 157Gd at al.). Triadic therapy is the sequential introduction into the body of a combination of two or more separately inactive and harmless components, tropic to tumor tissues and capable of selectively accumulating in them or entering into chemical interaction with each other and destroying tumor neoplasms under certain sensitizing external influences. The aim of this work is to quantum-chemically simulate the electronic structure and to analyze the thermodynamic stability of new doxorubicino-fullerenol agents for the treatment of tumor neoplasms. The need for preliminary studies on the modeling of such objects is due to the extremely high labor intensity, cost and complexity of their practical production.С целью терапевтического уничтожения злокачественных новообразований обычно применяют хирургическое вмешательство, химиоили лучевую терапию, а в изотопной медицине вводят в опухоль соответствующие короткоживущие радионуклиды (59Fe, 90Y, 95Zr, 99mTc, 106Ru, 114*In, 147Eu, 148Eu, 155Eu, 170Tm, 177mLu, 188Re, 210Po, 222Rn, 230U, 237Pu, 240Cm, 241Cm, 253Es). Бинарная (или нейтронозахватная) терапия – технология, разработанная для избирательного воздействия на злокачественные новообразования и использующая тропные к опухолям препараты, содержащие нерадиоактивные нуклиды (10B, 113Cd, 157Gd и др.). Триадная терапия – последовательное введение в организм комбинации из двух и более по отдельности неактивных и безвредных компонентов тропных к опухолевым тканям и способных в них селективно накапливаться или вступать друг с другом в химическое взаимодействие и уничтожать опухолевые клетки под действием определенных сенсибилизирующих внешних воздействий. Цель работы – квантово-химическое моделирование электронной структуры и анализ термодинамической устойчивости новых доксорубицин-фуллереноловых агентов терапии злокачественных новообразований. Необходимость предварительных исследований по моделированию такого рода объектов обусловлена чрезвычайно высокой трудоемкостью, стоимостью и сложностью их практического получения