[論文レビュー] A diamond nanophotonic interface with an optically accessible deterministic electronuclear spin register

Ryan A. Parker, Jesús Arjona Martínez+10 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2023

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、決定的にアクセス可能な117Sn核スピンを有するスズバケン (SnV) 中心を内蔵するファイバー接続型ナノフォトニクスダイヤモンド波道を提示する。このスピンは452(7) MHzのハイパーフィン構造を示し、光学的初期化と1回の測定によるスピン読み出しを高精度で実現可能である。波道からファイバーへの抽出効率は57(6)%、光学的核スピン初期化の忠実度は98.6(3)%に達し、11(1)%の対比を示すスピンゲート型単一光子非線形性を実証した。このプラットフォームは、光子量子ネットワークのスケーラブルな量子ノードとして位置づけられる。

ABSTRACT

A contemporary challenge for the scalability of quantum networks is developing quantum nodes with simultaneous high photonic efficiency and long-lived qubits. Here, we present a fibre-packaged nanophotonic diamond waveguide hosting a tin-vacancy centre with a spin-1/2 $^{117}$Sn nucleus. The interaction between the electronic and nuclear spins results in a signature 452(7) MHz hyperfine splitting. This exceeds the natural optical linewidth by a factor of 16, enabling direct optical nuclear-spin initialisation with 98.6(3)% fidelity and single-shot readout with 80(1)% fidelity. The waveguide-to-fibre extraction efficiency of our device of 57(6)% enables the practical detection of 5-photon events. Combining the photonic performance with the optically initialised nuclear spin, we demonstrate a spin-gated single-photon nonlinearity with 11(1)% contrast in the absence of an external magnetic field. These capabilities position our nanophotonic interface as a versatile quantum node in the pursuit of scalable quantum networks.

研究の動機と目的

• 光子効率が高く、長寿命の量子ビットを備えたスケーラブルな量子ノードの開発を目的とする。
• 量子ドットやNV中心のような既存のプラットフォームにおける光子効率とスピンコher- ンスのトレードオフを克服することを目的とする。
• IV族色中心におけるハイパーフィン結合を介して、核スピンレジスタへの決定的アクセスを可能とすることを目的とする。
• 高効率の光子波道と単一のSnV中心を統合し、実用的なファイバー基盤の量子インターフェースを実現することを目的とする。
• コンact、パckagedデバイス内で光学的初期化、1回の測定による読み出し、スピンゲート型非線形光物理学を実証することを目的とする。

提案手法

• 117Snイオンドーピングを用いて、117Sn核スピンが決定的に存在するSnV中心を生成するための同位体選別されたイオンインプラント法。
• 準等方性エッチングと高溫アニールを用いたバルクダイヤモンド内でのナノフォトニクス波道のフォーメーション。
• 単モード光ファイバーの断面を段階的に変化させ、波道への効率的なエバネッセント結合を実現する。
• 電子-核スピン系の精密な光学的制御のため、周波数可変の619 nm共鳴レーザー光源に電気光学モジュレーションを適用。
• 定期的なCOREスキャンとリアルタイムでのレーザー周波数の再センター化により、スペクトルドリフトを補償するアクティブ制御の実装。
• 単一光子放出とスピンコherenceの検証のため、共鳴光励起分光法 (PLE) と2次自己相関測定を実施。

Figure 1: A nanophotonic quantum device hosting an electronuclear spin register. (a) Microscope photograph of the packaged device. A UV-cured optical adhesive permanently fixes the tapered fibre after it is contacted onto a diamond microchiplet. (b) Experimental setup. We excite the emitter near res

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノフォトニクスダイヤモンド波道は、スケーラブルな量子ネットワーキングに適した決定的にアクセス可能な117Sn核スピンを有するSnV中心を担えるか？
• RQ2 電子スピンと117Sn核スピンの間のハイパーフィン分裂が解像可能であり、光学的初期化と読み出しに利用可能か？
• RQ3 ファイバー接続型波道は高い抽出効率を達成し、複数光子イベントの実用的検出を可能にするか？
• RQ4 外部磁場を用いずにスピンゲート型単一光子非線形性を実証できるか？
• RQ5 色中心で一般的に見られるスペクトルドリフト条件下でも、高忠実度の量子操作を維持できるか？

主な発見

• 117Sn核スピンは452(7) MHzのハイパーフィン分裂により光学的にアドレス可能であり、これが光の線幅の16倍に相当する。
• 光の線幅に比べてハイパーフィン分裂が著しく大きいことから、核スピンの光学的初期化の忠実度は98.6(3)%に達する。
• 共鳴蛍光検出を用いた1回の測定による核スピン読み出しの忠実度は80(1)%に達する。
• 波道からファイバーへの抽出効率は57(6)%に測定され、5つの連続光子の検出が実用的に可能となる。
• 外部磁場を用いない状態で、11(1)%の対比を示すスピンゲート型単一光子非線形性が実証された。
• 定期的なCOREスキャンとリアルタイムでのレーザー再センター化によるアクティブなスペクトルドリフト補償により、高忠実度の量子操作が継続的に維持された。

Figure 2: Accessing the 117 SnV electronuclear spin manifold. (a) Repeated CORE scans as a function of magnetic field along the [111] axis. The magnetic field is varied from 0 mT to 147 mT in steps of 4.3 mT. (b) Hyperfine splitting of the optical transitions at $\bm{B}=\bm{0}$ for multiple emitters