[論文レビュー] Hybrid nanodiamond-YIG systems for efficient quantum information processing and nanoscale sensing

Paolo Andrich, Charles F. de las Casas+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2017

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 28被引用数 47

ひとこと要約

本論文は、窒素空位（NV）中心を数百ミクロンの距離にわたり長距離かつコherentに制御可能にするために、スピン波を介したマイクロ波場の増幅を実現するハイブリッドナノダイヤモンド-イットルニウム鉄ガーネット（YIG）システムを提案する。この手法により、直接的な双極子結合の制限を克服し、伝搬する表面スピン波を量子バスとして用いることで、低消費電力で効率的なNVキュービットの操作が可能となり、遠隔での共鳴駆動によってセンシング感度が向上する。

ABSTRACT

The nitrogen-vacancy (NV) center in diamond has been extensively studied in recent years for its remarkable quantum coherence properties that make it an ideal candidate for room temperature quantum computing and quantum sensing schemes. However, these schemes rely on spin-spin dipolar interactions, which require the NV centers to be within a few nanometers from each other while still separately addressable, or to be in close proximity of the diamond surface, where their coherence properties significantly degrade. Here we demonstrate a method for overcoming these limitations using a hybrid yttrium iron garnet (YIG)-nanodiamond quantum system constructed with the help of directed assembly and transfer printing techniques. We show that YIG spin-waves can amplify the oscillating field of a microwave source by more than two orders of magnitude and efficiently mediate its coherent interactions with an NV center ensemble. These results demonstrate that spin-waves in ferromagnets can be used as quantum buses for enhanced, long-range qubit interactions, paving the way to ultra-efficient manipulation and coupling of solid state defects in hybrid quantum networks and sensing devices.

研究の動機と目的

• ダイヤモンド中のNV中心間の直接的双極子相互作用には短距離制限があるため、10 nm未満の間隔を要し、表面付近ではコherenceが劣化するという問題を克服すること。
• 強誘電性スピン波を量子バスとして用いることで、固体状態キュービットの長距離かつコherentな結合を実現するスケーラブルなプラットフォームを開発すること。
• スピン波を介したマイクロ波駆動により、NV中心の効率的かつ低消費電力制御を実現し、直接アンテナ駆動と比較して3桁以上の電力低減を達成すること。
• スピン波結合を介した遠隔共鳴駆動により、ターゲットスピンを遠く離れた場所から駆動することで、ナノスケールセンシング感度を向上させること。
• 動的デカップリングなどの高度な量子制御プロトコルとの互換性を検証し、スピン波駆動下でも堅牢なコherenceを維持できることを確認すること。

提案手法

• 3.08 µm 厚の単結晶YIG膜をGGG基板上に成長させ、マイクロストリップライン（MSL）を2本パターン形成し、マイクロ波場を励起する。
• 外部磁場をMSLに対して角度θで印加することで、YIG膜内で表面ダモン＝エシュバッハスピン波（DESW）を励起する。
• 数百個のNV中心を含むナノダイヤモンド（ND）を、PDMS膜を用いた新規な転写プリント技術により、YIG表面に正確に配置する。
• マイクロ波透過スペクトルと光励起分光測定を用いて、YIG表面におけるスピン波分散および場強度増幅をマップする。
• NVスピン共鳴周波数にマイクロ波周波数を合わせることで、増幅されたスピン波場を活用した共鳴ラビ駆動を実現し、NV中心のコherent制御を達成する。
• スピン波駆動下でもNVコherenceを維持できるよう、高度なマルチパルス動的デカップリングシーケンスを適用し、堅牢な量子制御を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YIG薄膜内のスピン波がマイクロ波場を十分に増幅できるか。その増幅効果により、ナノダイヤモンド内のNV中心の長距離コherent制御が可能になるか。
• RQ2 スピン波を介した相互作用が直接的な双極子結合を代替可能であり、キュービット操作に必要なナノスケールの接近要件を緩和できるか。
• RQ3 スピン波増幅を用いた場合、NV中心の効果的制御に必要な最小マイクロ波電力はどの程度か。直接アンテナ駆動と比較してどの程度低減されるか。
• RQ4 フェロ磁性体媒体に結合したNV中心のコherenceが維持可能か。また、高度な量子制御プロトコルとの互換性があるか。
• RQ5 スピン波波ガイドおよびキャビティ構造を用いて、このプラットフォームがターゲットスピンの遠隔共鳴駆動を可能にし、センシング感度を向上させられるか。

主な発見

• YIG膜内のスピン波は、マイクロストリップラインが生成するマイクロ波場を2桁以上増幅し、数百ミクロンの距離にわたりその増幅効果が持続する。
• マイクロ波源から70 µm 離れた場所に位置するNV中心に対しても、わずか約5 µWのマイクロ波電力で共鳴駆動が可能であり、直接アンテナ駆動と比較して3桁以上の電力低減が達成された。
• スピン波とNV中心のコherent相互作用は、高度な動的デカップリングプロトコルをサポートしており、スピン波駆動下でもNVコherence時間の安定性が確認された。
• 光励起分光測定により、数百ミクロンの広範囲にわたって均一なNV励起が確認され、効率的かつ広範囲にわたるスピン波結合が実現していることが示された。
• 測定されたマイクロ波透過スペクトルには、予想されるスピン波分散およびNV中心遷移周波数と整合する明確な共鳴特徴が観測され、スピン波を介した結合メカニズムの妥当性が裏付けられた。
• 非フェロ磁性基板（例：GGG）との組み合わせでもシステムが正常に動作することを確認し、観測された場強度増幅およびコherence効果がYIGスピン波応答に起因し、基板効果ではないことが判明した。