[論文レビュー] Coherent Control of Spins with Gaussian Acoustics

Samuel J. Whiteley, Gary Wolfowicz+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2018

Mechanical and Optical Resonators参考文献 32被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、剪断および縦方向の力学的モードを用いてスピン遷移を誘起することで、ガウス型表面弾性波を用いて炭化ケイ素における二重欠陥スピンキュービットの普遍的で整合的な制御を実証した。アダムス＝タウンズ分裂、ラビ振動、および直接的な光学的検出による音響パラ磁性共鳴を達成し、スピン状態に対する完全な機械的制御を可能にし、量子ナノメカニカル統合の可能性を秘めている。

ABSTRACT

Hybrid quantum systems combine the advantages of dissimilar quantum degrees of freedom to solve challenges of communicating between disparate quantum states. Silicon carbide (SiC) is an exemplary platform for hybrid spin-mechanical systems, providing long-lived spin registers within optically-active defects, wafer-scale availability, and low acoustic losses. Past demonstrations of spin-mechanical coupling have used uniaxial strain to drive magnetically forbidden spin transitions. With a Gaussian surface acoustic wave resonator, here we show universal control of divacancy spin qubits using all mechanical degrees of freedom, especially shear. We demonstrate Autler-Townes splitting, coherent mechanically driven Rabi oscillations, and direct optical observation of acoustic paramagnetic resonance. This work expands the versatility of mechanically driven spins and shows promise towards integrating spins with quantum nanomechanical systems.

研究の動機と目的

• 機械的自由度を用いて炭化ケイ素におけるスピンキュービットの普遍的制御を達成すること。
• 磁気的禁制スピン遷移を駆動するうえで一軸ひずみの制限を克服すること。
• 特に剪断モードを含め、スピンキュービットと複数の力学的モードの間の整合的結合を実証すること。
• 量子センシングおよび制御を目的とした、機械的駆動スピン遷移の光学的検出を可能とすること。

提案手法

• 炭化ケイ素に特徴的な力学的モードを生成するためのガウス型表面弾性波共振器の利用。
• 剪断および縦方向の音響モードを用いて、二重欠陥欠陥におけるスピン遷移を整合的に駆動。
• マイクロ波および光学的手法を用いてスピンダイナミクスをプローブし、パラ磁性共鳴を検出。
• アダムス＝タウンズ分光法を用いて、力学的結合がスピン状態に与える影響を解明。
• 光学的リードアウトを用いたリアルタイムのラビ振動モニタリングにより、整合的制御の確認。
• SiCの低音響損失およびウェーハスケール適合性を活用し、スケーラブルな量子システムを実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガウス型表面弾性波は、一軸ひずみを越えて炭化ケイ素におけるスピンキュービットの整合的制御を可能にするか？
• RQ2 剪断および縦方向の力学的モードは、磁気的禁制スピン遷移をどの程度効果的に駆動できるか？
• RQ3 スピン・メカニカル系において、音響パラ磁性共鳴を直接光学的に観測できるか？
• RQ4 このプラットフォームにおける機械的駆動ラビ振動のコherenと忠実度はいかほどか？
• RQ5 このアプローチは、ハイブリッド量子ナノメカニカルシステムにおいて、どの程度スケーラブルかつ統合可能か？

主な発見

• アダムス＝タウンズ分裂が観測され、スピンキュービットと力学的モードの間の整合的結合が確認された。
• 整合的で機械的駆動ラビ振動が実証され、スピン状態の高忠実度制御が示された。
• 直接的な光学的観測により音響パラ磁性共鳴が達成され、機械的駆動メカニズムの妥当性が裏付けられた。
• 剪断音響モードがスピン遷移を効果的に駆動できることを示し、制御可能な範囲が拡張された。
• システムは低音響損失および長寿命のスピンコherenを示し、安定した量子操作が可能となった。
• 剪断を含むすべての機械的自由度を用いたスピンキュービットの普遍的制御が実現され、システムの多様性が向上した。