[論文レビュー] Engineering Phonon-Qubit Interactions using Phononic Crystals

Kazuhiro Kuruma, Benjamin Pingault+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ダイヤモンド中のフォノニクス結晶がフォノン状態密度を制御することで、有害なフォノン-キュービット相互作用を抑制できることを示している。50–70 GHzの完全なフォノニクス帯ギャップを形成することで、著者らは4 Kでシリコンバケンシー（SiV）色中心のフォノン誘発軌道緩和率を18倍低減した。これにより、より高温での量子メモリの動作が可能になり、フォノンを用いた量子情報処理への道が開かれる。

ABSTRACT

The ability to control phonons in solids is key for diverse quantum applications, ranging from quantum information processing to sensing. Often, phonons are sources of noise and decoherence, since they can interact with a variety of solid-state quantum systems. To mitigate this, quantum systems typically operate at milli-Kelvin temperatures to reduce the number of thermal phonons. Here we demonstrate an alternative approach that relies on engineering phononic density of states, drawing inspiration from photonic bandgap structures that have been used to control the spontaneous emission of quantum emitters. We design and fabricate diamond phononic crystals with a complete phononic bandgap spanning 50 - 70 gigahertz, tailored to suppress interactions of a single silicon-vacancy color center with resonant phonons of the thermal bath. At 4 Kelvin, we demonstrate a reduction of the phonon-induced orbital relaxation rate of the color center by a factor of 18 compared to bulk. Furthermore, we show that the phononic bandgap can efficiently suppress phonon-color center interactions up to 20 Kelvin. In addition to enabling operation of quantum memories at higher temperatures, the ability to engineer qubit-phonon interactions may enable new functionalities for quantum science and technology, where phonons are used as carriers of quantum information.

研究の動機と目的

• 量子技術分野における主要な障害である固体状態キュービットにおけるフォノン誘発デコherenceを軽減すること。
• 冷却を前提としない代替戦略として、熱フォノンを抑えるのではなく、フォノン環境を設計することで、冷却に依存しない方法を検討すること。
• フォノニクス帯ギャップ構造が、qubit-フォノン相互作用を意図的かつ決定的に制御できるかを実証すること。
• フォノン媒介緩和を抑制することで、量子メモリのより高温動作を可能にすること。
• 設計された相互作用を通じてフォノンを量子情報の実用的キャリアとして確立すること。

提案手法

• 50–70 GHzにわたる完全なフォノニクス帯ギャップを持つダイヤモンドベースのフォノニクス結晶の設計および作製。
• 有限要素シミュレーションを用いて、最大の帯ギャップと所望のフォノン抑制を達成するための結晶幾何形状を最適化。
• キュービット系としてシリコンバケンシー（SiV）色中心をフォノニクス結晶構造に統合。
• 同じ条件下で、フォノニクス結晶内におけるSiV中心の軌道緩和率を測定し、バルクダイヤモンドと比較。
• スペクトロスコピック技術を用いてフォノン状態密度を特徴づけ、帯ギャップ形成を確認。
• 4 Kから20 Kまでの温度範囲で性能を評価し、抑制効果の温度安定性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォノニクス帯ギャップ設計が、固体状態キュービットにおけるフォノン誘発緩和を効果的に抑制できるか？
• RQ2 フォノン状態密度をどの程度まで調整することで、キュービットのデコherenceを低減できるか？
• RQ3 フォノン環境を変更することで、量子メモリの動作温度をより高温に延長できるか？
• RQ4 フォノニクス結晶構造において、フォノン-キュービット結合の抑制は温度にどのように依存するか？
• RQ5 設計された相互作用を通じて、フォノンをコherentな量子情報キャリアとして活用できるか？

主な発見

• 作製されたフォノニクス結晶は、50–70 GHzの完全な帯ギャップを示し、設計されたフォノニクス帯構造が実現されたことを確認した。
• 4 Kで、SiV中心のフォノン誘発軌道緩和率がバルクダイヤモンドと比較して18倍低減された。
• 抑制効果は20 Kまで持続しており、より高温での量子メモリ動作の可能性を示している。
• フォノニクス帯ギャップは、バスタームの熱フォノンとSiV中心との共鳴相互作用を効果的に抑制した。
• フォノニクス結晶が、スケーラブルかつ調整可能な方法でqubit-フォノン結合を制御するプラットフォームとして利用可能であることが実証された。
• 本研究は、固体系における設計された相互作用を通じてフォノンを量子情報キャリアとして活用する道筋を確立した。