[論文レビュー] Deterministic Creation of Large Photonic Multipartite Entangled States with Group-IV Color Centers in Diamond

Gregor Pieplow, Yannick Strocka+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、群IV色中心（G4V）、特にダイヤモンド中のスズバケンス（SnV）を用いて、大規模な光的多粒子もつれ状態（特に線形クラスター状態とGHZ状態）を決定的かつ効率的に生成するためのスケーラブルな手法を提案する。非共鳴ラーマン方式による高速かつ高精度なスピン制御と、パールス増幅効果を用いた光子放出を採用することで、99%を超えるゲートの忠実度と、100光子状態の生成レートが最大9 Hzに達する。これは、大規模な光的量子技術の実現可能性を示している。

ABSTRACT

Measurement-based quantum computation relies on single qubit measurements of large multipartite entangled states, so-called lattice-graph or cluster states. Graph states are also an important resource for quantum communication, where tree cluster states are a key resource for one-way quantum repeaters. A photonic realization of this kind of state would inherit many of the benefits of photonic platforms, such as very little dephasing due to weak environmental interactions and the well-developed infrastructure to route and measure photonic qubits. In this work, a linear cluster state and GHZ state generation scheme is developed for group-IV color centers. In particular, this article focuses on an in-depth investigation of the required control operations, including the coherent spin and excitation gates. We choose an off-resonant Raman scheme for the spin gates, which can be much faster than microwave control. We do not rely on a reduced level scheme and use efficient approximations to design high-fidelity Raman gates. We benchmark the spin-control and excitation scheme using the tin vacancy color center coupled to a cavity, assuming a realistic experimental setting. Additionally, the article investigates the fidelities of the Raman and excitation gates in the presence of radiative and non-radiative decay mechanisms. Finally, a quality measure is devised, which emphasizes the importance of fast and high-fidelity spin gates in the creation of large entangled photonic states.

研究の動機と目的

• 固体発光体を用いた大規模な光的多粒子もつれ状態を決定的かつスケーラブルに生成するための手法の開発。
• 群IV色中心におけるマイクロ波制御の限界を克服するため、高速で完全に光的なラーマンベースのスピンゲートを実装すること。
• 放射性および非放射性崩壊を含む現実的なデコherence機構を考慮したスピン-光子もつれ状態とゲート忠実度の最適化。
• スケーラブルな量子情報応用を念頭に、高速かつ高忠実度の操作を優先する品質指標の確立。
• 現実的な実験的条件下で、高忠実度かつ実用的なレートで大規模なクラスター状態およびGHZ状態を生成可能かどうかの検証。

提案手法

• SnV中心における単一キュービットスピン回転を実現するため、ガウスパルスを用いた非共鳴ラーマン方式を採用し、遅いマイクロ波制御を回避する。
• サウスフィッシュナノキャビティを用いて、所望の遷移におけるパールス効果を強化し、光子収率と不変性を向上させる。
• ゼーマン分裂とレーザー結合を含む9準位ハミルトニアンを用いてスピンダイナミクスをモデル化し、効率的なゲート最適化を可能にする近似を導入する。
• マスター方程式に緩和過程（放射性および非放射性崩壊）を組み込み、デコherence下での現実的なゲート忠実度をシミュレートする。
• 数値シミュレーションを用いてパルス形状と持続時間を最適化し、特に|7⟩および|8⟩状態への一時的励起状態の人口を最小化する。
• 状態忠実度、生成レート、時間的サイズのバランスを取る品質指標を導入し、光ファイバー路における光子損失を低減するため短パルスを優先する。

Figure 1: a) Sawfish cavity [ 25 ] creating Purcell enhancement of the desired transition indicated by the thick orange arrow in the level scheme (b). The control laser fields, which implement the spin gates, are indicated by the blue and magenta cones, which interact with a G4V at the center of the

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非共鳴ラーマン制御は、群IV色中心における高速かつ高忠実度の単一キュービットゲートを達成可能であり、マイクロ波ベースの方法を上回るか？
• RQ2 放射性および非放射性崩壊プロセスは、SnV系におけるスピンおよび励起ゲートの忠実度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 現実的な実験設定において、ゲート忠実度と状態生成レートを最大化するための最適なパルス持続時間および磁場強度は何か？
• RQ4 提案された手法は、100光子線形クラスター状態などの大規模な光的多粒子もつれ状態において、忠実度と生成レートの観点からどのようにスケーリング可能か？
• RQ5 光子収率は、この手法の全体的な性能とスケーラビリティにおいて果たす役割は何か？

主な発見

• 8 Tの磁場下で、π回転ゲートの忠実度が0.9988、励起ゲートの忠実度が0.9984に達し、非ターゲット状態への一時的励起状態の人口が顕著に低減された。
• 100光子線形クラスター状態では、パルス長が73.33 ps未満の条件下で、品質指標Q(LCS,100) = 1.1 × 10⁻¹⁵、生成レートが9 Hzに達した。
• 全結合効率ηに伴い、状態生成レートは指数関数的に低下し、η = 0.98の場合にη_total(100) ≈ 0.13となることから、ほぼ100%の結合効率が不可欠であることが示された。
• パルス持続時間が73.33 ps未満である場合、生成状態の品質が最大化され、時間的サイズが小さくなり、ファイバー路に起因する光子損失が最小限に抑えられる。
• レーザーパルス出力の1%のずれが、約4%のゲート忠実度の低下を引き起こすことが判明し、制御フィールドの不完全性に対して中程度の耐性を持つことが示された。
• 本研究では、パルス形状の完全最適化がなくても、すべての光的ラーマン制御を用いた高忠実度で決定的な大規模な光的多粒子もつれ状態の生成が可能であると示された。

Figure 2: a) Level scheme of a G4V in the presence of a magnetic field ${\bf B}=B[\cos(\theta_{\rm dc}),0,\sin(\theta_{\rm dc})]$ (no strain). The carrier frequencies of the two laser fields are indicated by $\omega_{1}$ and $\omega_{2}$ . The magnetic field has to be of axis for optical Raman contr