[論文レビュー] Coherence and entanglement of inherently long-lived spin pairs in diamond

H. P. Bartling, M. H. Abobeih+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2021

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、時計遷移、デ coherent なサブスペース、および運動的狭義効果の組み合わせにより、ダイヤモンド中の同一の13C核スピン対が本質的に長寿命な量子系を形成することを示している。近接する窒素真空欠陥（NV）中心を用いて、個別に制御可能なスピン対量子ビットの記録的なT₂*コherー二ンス時間1.9(3)分を達成し、射影的スピンパリティ測定を用いて高精度なもつれ状態を実現した。

ABSTRACT

Understanding and protecting the coherence of individual quantum systems is a central challenge in quantum science and technology. Over the last decades, a rich variety of methods to extend coherence have been developed. A complementary approach is to look for naturally occurring systems that are inherently protected against decoherence. Here, we show that pairs of identical nuclear spins in solids form intrinsically long-lived quantum systems. We study three carbon-13 pairs in diamond and realize high-fidelity measurements of their quantum states using a single NV center in their vicinity. We then reveal that the spin pairs are robust to external perturbations due to a unique combination of three phenomena: a clock transition, a decoherence-free subspace, and a variant on motional narrowing. The resulting inhomogeneous dephasing time is $T_2^* = 1.9(3)$ minutes, the longest reported for individually controlled qubits. Finally, we develop complete control and realize an entangled state between two spin-pair qubits through projective parity measurements. These long-lived qubits are abundantly present in diamond and other solids, and provide new opportunities for quantum sensing, quantum information processing, and quantum networks.

研究の動機と目的

• 固体中の同一核スピン対が、長寿命なコヒーレンス時間を有する本質的保護量子系として機能できるかどうかを調査すること。
• 従来のスピン対がデコherenceの原因であるという見方を覆し、耐障害性が高く個別に制御可能な量子ビットとしての可能性を示すこと。
• 近接するNV中心を量子センサーやコントローラーとして用い、スピン対の擬スピン状態の高精度な初期化、制御、読み出しを達成すること。
• 射影的パリティ測定を用いて、2つのスピン対量子ビット間のもつれを実証すること。
• これらの長寿命量子ビットがダイヤモンドや他の固体に自然に豊富に存在することを確立し、量子技術分野における新応用を可能にすること。

提案手法

• 本研究では、3.7 Kで3つの異なる13C核スピン対（A, B, C）を、長寿命なコヒーレンスと光学アドレスラビリティを有するNV中心を用いてセンシングおよび制御した。
• スピン対は反平行状態（|↑↓⟩ および |↓↑⟩）における擬スピンとしてモデル化され、ハミルトニアン H = X·Iₓ + mₛZ·I_z に従う動的を示す。ここで X は双極子結合、Z はハイパーフィン分裂差である。
• 共鳴πパルスとNVスピン読み出しのシーケンスを用いて、デコherenceを測定中に回避するようにタイミング最適化を施すことにより、高精度な状態準備と測定を達成した。
• X ≫ Z の場合（AおよびB）、自由進化とダイナミカルデカップリングによりユニバーサルな1量子ビット制御を実装した。Z ≫ X の場合（C）、NVスピン状態依存の進化（mₛ = 0 のときX回転、mₛ = -1 のとき近似的なZ回転）により制御を達成した。
• 対称状態と反対称状態のベル状態を区別する射影的パリティ測定を用いて、2つのスピン対量子ビット間のもつれを生成した。
• 13Cスピン1つを励起する遷移へのRF駆動により、ペアCの全ヒルバート空間にアクセスでき、NV結合が無視できるほど小さい条件下で個々の13Cスピンの選択的初期化と制御が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンド中の同一核スピン対が、内在的保護機構のおかげで本質的に長寿命な量子系として機能できるか？
• RQ2 時計遷移、デコherenceフリーなサブスペース、および運動的狭義効果が、13Cスピン対における位相破壊をどれほど効果的に抑制するか？
• RQ3 1つのNV中心が、同じダイヤモンドサンプル内に存在する複数の13Cスピン対量子ビットを高精度で個別に制御可能か？
• RQ4 環境条件下で、このようなスピン対量子ビットが達成可能な最大コヒーレンス時間は何か？他の固体状態量子ビットと比較するとどうか？
• RQ5 射影測定を用いて、2つのこのような長寿命スピン対量子ビット間のもつれを生成・検証することは可能か？

主な発見

• 13Cスピン対の不均一位相破壊時間T₂*は1.9(3)分に達し、いかなる固体系でも個別に制御可能な量子ビットで報告された最長記録である。
• 時計遷移、デコherenceフリーなサブスペース、および運動的狭義効果の3つが同時に存在することで、外部摂動に対して極めて頑健な性質を示した。
• NV中心を用いた繰り返し射影的測定により、擬スピン状態の高精度な初期化と読み出しを達成した。NV読み出し時間は~5 μsに最小限に抑えられた。
• 射影的パリティ測定を用いて、2つのスピン対量子ビット間のもつれを成功裏に生成し、複数の長寿命量子ビットに対するスケーラブルな量子制御を実証した。
• 13Cペアの全ヒルバート空間（対称状態を含む）が、単一スピン遷移へのRF駆動によりアクセス可能であり、NV結合が無視できるほど小さい条件下で個々の13Cスピンの選択的制御が可能となった。
• 測定されたハイパーフィン結合定数（例：A∥^(1) = 2π·2826(5) Hz および A∥^(2) = 2π·18(7) Hz）は、13C-13Cペアに一致しており、観測信号の起源を確認した。