[論文レビュー] Decoherence-protected transitions of nitrogen vacancy centers in 99% 13C-enriched diamond

Anna J. Parker, Haijing Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2015

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、99% ¹³C-豊富なダイヤモンド中の窒素空位（NV⁻）中心において、ハイパーフィン相互作用を活用して磁場ノイズを低減することで、デcohérence保護遷移（DPTs）を実証した。550–900 Gの磁場領域において、これらの遷移は標準的な電子遷移と比較して線幅が最大で約130倍狭くなり、室温でも頑健な量子コherー二ンスを実現した。

ABSTRACT

Nitrogen vacancy (NV-) color centers in diamond are a prime candidate for use in quantum information devices, owing to their spin-1 ground state, straightforward optical initialization and readout, and long intrinsic coherence times in a room-temperature solid. While the 13C nuclear spin is often a dominant source of magnetic noise, we observe transitions between electron-nuclear hyperfine states of NV- centers in 99% 13C diamond that are robust to decoherence. At magnetic field strengths ranging from 550 - 900 G, these transitions are observable by optically detected magnetic resonance (ODMR), and exhibit linewidths narrowed by factors as high as ~130 at room temperature over typical electron-type transitions observed from this spin system. We anticipate the use of these decoherence-protected transitions, in combination with dynamical decoupling methods, for storage of quantum information.

研究の動機と目的

• ハイパーフィン相互作用によって生じる内在的な保護機構により、デcohérenceから保護されたNV⁻中心の遷移を同定および特徴づけること。
• ダイヤモンド中の ¹³C 核スピンが磁場ノイズの主要因である役割を解明し、スピン準位構造の内在的性質による低減を検討すること。
• 99% ¹³C-豊富なダイヤモンド中のDPTsが室温で顕著に向上したコherー二ンスを示すことを実験的に証明すること。
• DPTsを動的デカップリングと組み合わせて、長寿命の量子情報記憶に応用する基盤を確立すること。

提案手法

• NV⁻中心のスピン遷移を連続波レーザーおよびマイクロ波励起を用いて光学的に検出する磁気共鳴（ODMR）法を用いた。
• 532 nmのレーザー（4 kW/cm²の出力）と単一光子計数を用いた共焦点顕微鏡装置により、スピン依存性発光を検出した。
• マイクロ波周波数は波形発生器を介して供給され、マイクロ波スイッチを介して切り替えられ、その後ブロードバンドマイクロ波ループを介して供給された。
• ネオブジウム磁石をゴニオメータに取り付け、最大1175 Gの磁場を印加し、NV軸に対する磁場の向きを制御した。
• 磁場の向きの校正には、ダイヤモンドの反対側面にインプリントされたNV⁻アンサンブルを用い、誤差は±2 Gと推定された。
• スペクトルは周波数ごとに2000回の平均をとった後、光学的再初期化状態に対して発光を正規化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 99% ¹³C-豊富なダイヤモンド中のNV⁻中心において、¹³C 核スピンが存在する中で、DPTsがデcohérenceから保護されるか。
• RQ2 どの磁場強度範囲で、線幅が著しく狭くなったデcohérence保護遷移（DPTs）が観測可能か。
• RQ3 室温におけるDPTsの線幅は、同じ系における標準的電子スピン遷移と比較してどのように異なるか。
• RQ4 磁場の揺らぎおよび核スピンノイズが存在する中で、DPTsがどの程度のコherー二ンスを維持するか。
• RQ5 DPTsを動的デカップリングと組み合わせることで、頑健な量子情報記憶のプラットフォームとして利用可能か。

主な発見

• 550 G から 900 G の磁場領域において、99% ¹³C-豊富なダイヤモンド中のNV⁻中心でデcohérence保護遷移（DPTs）が観測された。
• これらのDPTsは、室温における標準的電子遷移と比較して、最大で約130倍線幅が狭くなった。
• DPTsは、有効的な磁気ガルストロム比が小さいため、磁場の揺らぎに対して頑健であり、局所的な磁場ノイズへの感受性が低減された。
• 観測された線幅は、準位反対抗えの近くにおけるゼロ第一順位ゼーマン（ZEFOZ）遷移の理論的予測と整合的であった。
• 磁場の向きの誤差は±2 Gであり、インプリントされたNV⁻アンサンブルからの追加の不確実性は0.05 Gであったが、いずれもDPTsの分解能に対して無視できる程度であった。
• 本結果は、¹³C-豊富なダイヤモンド中のDPTsが、室温でも長寿命の量子コherー二ンスを実現するための実用的かつ有効な道筋を提供することを示している。