[論文レビュー] Hyperfine spectroscopy and fast, all-optical arbitrary state initialization and readout of a single, ten-level ${}^{73}$Ge vacancy nuclear spin qudit in diamond

Chris Adambukulam, Brett C. Johnson+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2023

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ダイヤモンド中の73Geバケイシティ欠陥における10準位の核スピンクイッドを、共鳴状態捕捉（CPT）を用いて全光的かつ超高速に初期化および読み出しすることを示した。著者らは、I=9/2 の73Ge核のハイパーフィン構造を解明し、μsスケールの初期化忠実度を約84%まで達成した。また、マイクロ波やRF場を必要としない、完全に光で制御可能な高忠実度の量子メモリおよびスピン光インターフェースのプラットフォームを確立した。

ABSTRACT

A high-spin nucleus coupled to a color center can act as a long-lived memory qudit in a spin-photon interface. The germanium vacancy (GeV) in diamond has attracted recent attention due to its excellent spectral properties and provides access to the ten-dimensional Hilbert space of the $I=9/2$ ${}^{73}$Ge nucleus. Here, we observe the ${}^{73}$GeV hyperfine structure, perform nuclear spin readout, and optically initialize the ${}^{73}$Ge spin into any eigenstate on a $μ$s timescale and with a fidelity of up to $\sim 84\%$. Our results establish the ${}^{73}$GeV as an optically addressable high-spin quantum platform for a high-efficiency spin-photon interface as well as for foundational quantum physics and metrology.

研究の動機と目的

• ダイヤモンド中の73Geバケイシティ（GeV）欠陥を、完全に光でアドレス可能な高スピン核クイッドプラットフォームとして確立し、10次元のヒルベルト空間を実現すること。
• 低磁気比および大きなヒルベルト空間を有する高スピン核を、マイクロ波やRF場を用いずに初期化および読み出しするという課題を克服すること。
• 共鳴状態捕捉（CPT）を用いたハイパーフィン分光法、状態読み出し、および1つの欠陥内での73Ge核スピンの高速初期化を実証すること。
• 量子メモリ、量子ネットワーク、基礎的量子物理学の応用を想定し、核スピンクイッドの高忠実度で全光的制御を可能にすること。
• 73Ge核スピンの長いコherences時間と光学的アドレス可能性を活用して、スケーラブルで内在的な量子メモリプラットフォームを提供すること。

提案手法

• 2本の赤方へずらしたレーザーを用いた共鳴状態捕捉（CPT）を採用し、GeVの基底状態と励起状態をコherentに結合することで、73Ge核の10個のハイパーフィン準位を解像可能とした。
• パルスCPTを用いて、発光を検出することで核スピン状態を読み出し、複数ショットにわたる信号積分により検出忠実度を向上させた。
• 核スピン保存をしない光学的緩和過程を活用し、μsスケールで73Geスピンをその10個の固有状態の任意の状態に高速かつ全光的初期化した。
• レーザーのずれδをスイープし、外部磁場B₀を変化させることでハイパーフィン分光法を実施し、|m_I⟩ = -9/2 から +9/2 の各状態に対応する10個の明著なCPTディップをマッピングした。
• ずれ誤差とパワー幅拡大の最小化により初期化忠実度を最適化し、T₂*と同素体純化が今後の改善に向けた重要な要因であると特定した。
• 歪みに伴うハイパーフィン分裂の依存性を計算し、実験的に測定されたA∥ ≈ 37 MHzと照合することで、ハイパーフィン相互作用の強さを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GeV欠陥内の10準位の73Ge核スピンのハイパーフィン構造は、全光的CPT技術を用いて解明可能か？
• RQ2 マイクロ波やRF場を必要とせず、任意の73Ge核スピン固有状態への高速で高忠実度の全光的初期化が可能か？
• RQ3 この系において、核スピン拡散がCPTに基づく読み出しおよび初期化の忠実度を制限する役割を果たすか？
• RQ4 光学的緩和過程が核スピンの高速初期化をどのように可能にするか、そしてその忠実度の根本的限界は何か？
• RQ5 73Geバケイシティ欠陥は、量子ネットワークにおけるスピン光インターフェースのためのスケーラブルで、内在的かつ完全に光で制御可能な量子メモリプラットフォームとして機能可能か？

主な発見

• GeV欠陥内における73Ge核のハイパーフィン分裂は、実験的にA∥ ≈ 37 MHzとして測定され、理論的予測と整合的であった。
• CPT分光法により、I = 9/2 の73Ge核の10個の明確なハイパーフィン準位が解像され、各ディップが|−9/2⟩から|+9/2⟩までの各|m_I⟩固有状態に対応していた。
• パルスCPTを用いた核スピン読み出しは、発光検出により実現され、状態の識別が可能であったが、核スピン拡散の速さのため、1ショットあたりの光子数は1未塔であった。
• 全光的初期化により、73Ge核スピンを任意の固有状態にμsスケールで初期化でき、最大忠実度は約84%であった。この値は、ずれ誤差とパワー幅拡大によって制限されていた。
• 初期化忠実度は、光学的寿命および電子T₂*コherences時間によって根本的に制限されており、今後の改善は同素体純化およびB₀を[111]軸に整列させることで期待できる。
• 本系は、RF制御を不要とする高スピン核クイッドの高速で全光的制御を可能にし、量子情報処理および計測技術のためのスケーラブルなプラットフォームを提供している。