[論文レビュー] A spin-optomechanical quantum interface enabled by an ultrasmall mechanical and optical mode volume cavity

Hamza Raniwala, Anand, Pratyush+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、超小規模な光学的・機械的モード体積を有する1次元ダイヤモンドナノビーム光機械的キャビティを提案し、約40 MHzのスピン-フォノン結合を実現するスピン光機械的インターフェースを構築する。通信波長帯の光子とスピンキュービットの間で、機械的モードを介して相互作用を実現することで、スピンを直接励起することなく、量子リピーターにおける高精度なエンタングルメントを可能にし、40 Kまでの動作が可能になる。スピンのスペクトル拡散が低減される。

ABSTRACT

We propose a coherent mechanical interface between defect centers in diamond and telecom optical modes. Combining recent developments in spin-mechanical devices and optomechanical crystals, we introduce a 1D diamond nanobeam with embedded mechanical and electric field concentrator with mechanical and optical mode volumes $V_\mathrm{mech}/Λ_\mathrm{p}^3\sim 10^{-5}$ and $V_\mathrm{opt}/λ^3\sim 10^{-3} $, respectively. By placing a Group IV vacancy in the concentrator we demonstrate exquisitely high spin-mechanical coupling rates approaching 40 MHz, while retaining high acousto-optical couplings. We theoretically show that such a device, used in an entanglement heralding scheme, can provide high-fidelity Bell pairs between quantum repeaters. Using the mechanical interface as an intermediary between the optical and spin subsystems, we are able to directly use telecom optics, bypassing the native wavelength requirements of the spin. As the spin is never optically excited or addressed, we do not suffer from spectral diffusion and can operate at higher temperatures (up to 40 K), limited only by thermal losses. We estimate that based on these metrics, optomechanical devices with high spin-mechanical coupling will be a useful architecture for near-term quantum repeaters.

研究の動機と目的

• ダイヤモンド中の欠陥スピンキュービットと通信帯域の光子の間で、機械的メディエーターを介してコherentな結合を実現するスピン光機械的インターフェースの設計。
• スピンキュービットの直接的光的アドレス指定に伴う制限、例えばスペクトル拡散や厳しい温度要件を克服すること。
• 超小規模なモード体積を有するコンactなデバイスで、強化された光-物質相互作用を実現するため、強力なスピン-フォノン結合を達成すること。
• 直接スピンを励起しないヘラルド型スキームを用いて、量子ネットワークにおける高精度なエンタングルメント分配を可能にすること。
• ダイヤモンドベースの光機械的キャビティにおいて、強力なスピン-機械的結合を実現しつつ、強力な音響-光学結合を維持できることを示すこと。

提案手法

• 光学モードと機械的モードを中央のコンセントレーター領域に閉じ込めるために、自己相似的で二次的に変化する光的および音響的格子を持つ1次元ダイヤモンドナノビーム光機械的結晶（OMC）を設計する。
• 光学モード体積 $V_{\text{opt}}/\lambda^3 \sim 10^{-3}$ および機械的モード体積 $V_{\text{mech}}/\Lambda_{\text{p}}^3 \sim 10^{-5}$ を達成するようにキャビティを設計し、局所的な電場および応力の集中を最大化する。
• 機械的コンセントレーターにGroup IVバケーション（例：SiV⁻）を埋め込み、応力誘起の準位シフトにより強力なスピン-フォノン結合を実現する。
• ポンプレーザーを周波数 $\omega_p \approx \omega_a + \Omega$ に設定し、光機械的系を駆動することで、光学モードと機械的モードの間でパラメトリック結合 $\hat{H}_{\text{om}} = \hbar g_{\text{om}} \hat{a}^\dagger \hat{a} (\hat{b}^\dagger + \hat{b})$ を実現する。
• 2つのキャビティが光学出力の共同測定を通じてエンタングルされ、エンタングルメントが機械的モードに転送され、その後スピンキュービットに転送されるヘラルド型エンタングルメントプロトコルを実装する。
• スピン光子エンタングルメントを実現するため、機械的モードを量子バスとして利用し、スピンの固有の光励起を回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンドにおける超小規模なモード体積の光機械的キャビティは、高い音響-光学結合を維持しながら、強力なスピン-フォノン結合を実現できるか？
• RQ2 直接スピンを励起しない条件下で、機械的モードが通信帯域の光子とスピンキュービットの間で頑健な量子インターフェースとして機能できるか？
• RQ3 このようなシステムで達成可能な最大のスピン-フォノン結合レートは何か？ 他の既存プラットフォームと比較するとどうか？
• RQ4 提案されたインターフェースは、40 Kまでの上昇温度でも高精度なエンタングルメント分配を可能にするか？
• RQ5 インターフェースの性能は材料プラットフォームに依存するか？ また、ダイヤモンドを超えて一般化可能か？

主な発見

• SiV⁻欠陥において、予想されるスピン-フォノン結合レートが40 MHzに達し、従来の光機械的インターフェースを著しく上回る。
• 光学モード体積は $V_{\text{opt}}/\lambda^3 \sim 10^{-3}$、機械的モード体積は $V_{\text{mech}}/\Lambda_{\text{p}}^3 \sim 10^{-5}$ であり、強力な局所的電場および応力増幅が可能である。
• 28.7 THzの光的バンドギャップと2.41 GHzの機械的バンドギャップを有し、安定なモード閉じ込めが保証される。
• 5.34 GHzの機械的モードと197.5 THzの光学モードは、コンセントレーター領域に空間的に局在化しており、強い結合に適した高い重なりを示す。
• ヘラルド型エンタングルメントプロトコルにより、遠隔に位置する量子メモリ間で高精度なベル状態の生成が可能であり、機械的モードが量子バスとして機能する。
• スピンを直接励起しないことにより、スペクトル拡散が回避され、40 Kまでの動作が可能となる。熱損失が主な制限要因となる。