[論文レビュー] Matter and spin superposition in vacuum experiment (MASSIVE)

Sougato Bose, Gavin W. Morley|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 39被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、窒素・バケーション欠陥中心を有するナノダイヤモンドを真空中で落下させることで、巨視的量子重ね合わせを検証するMASSIVE実験を提案する。10 K未満に冷却することでスピンコherー次時間を2 msから500 msへ延長でき、1 μmを超える空間的重ね合わせを実現可能にし、これは従来の100倍以上大きなスケールである。さらに、1回の実験でスピンを読み取れる仕組みを実装することで、必要な実験回数を10,000分の1に削減できる。

ABSTRACT

A free-falling nanodiamond containing a nitrogen vacancy centre in a spin superposition should experience a superposition of forces in an inhomogeneous magnetic field. We propose a practical design that brings the internal temperature of the diamond to under 10 K. This extends the expected spin coherence time from 2 ms to 500 ms, so the spatial superposition distance could be increased from 0.05 nm to over 1 $μ$m, for a 1 $μ$m diameter diamond and a magnetic inhomogeneity of only 10$^4$ T/m. The low temperature allows single-shot spin readout, reducing the number of nanodiamonds that need to be dropped by a factor of 10,000. We also propose solutions to a generic obstacle that would prevent such macroscopic superpositions.

研究の動機と目的

• 制御可能でスケーラブルな実験で物質およびスピンの巨視的量子重ね合わせを実証すること。
• 室温下におけるナノダイヤモンドのスピンコherー次時間の短さという主な障壁を克服すること。
• ナノダイヤモンドの磁場勾配下における空間的重ね合わせ距離を0.05 nmから1 μm以上に延長すること。
• 10 K未満に冷却することで1回の測定によるスピン読み取りを可能にし、必要となる実験回数を著しく削減すること。
• このような系における巨視的重ね合わせの実現を阻害する一般的な実験的課題に対処すること。

提案手法

• 1 μmの直径を有するナノダイヤモンド内の窒素・バケーション欠陥（NV）中心を、スピン状態の重ね合わせとしての量子ビットとして用いる。
• 内部温度を10 K未満にまで冷却するための低温冷却を実装する。
• 10^4 T/mの勾配を持つ不均一磁場を印加し、NV中心のスピン重ね合わせを機械的力の重ね合わせに結合させる。
• 低温下で延長されたスピンコherー次時間（2 msから500 msに）を活用し、より長い自由落下時間とより大きな空間的重ね合わせを可能にする。
• 各実験の結果を1回の測定で検出可能なスピン読み取りを用い、従来のアンサンブル平均と比較して必要なナノダイヤモンド数を10,000分の1に削減する。
• デコherenceを最小限に抑えるために、真空チャンバ構成を設計し、自由落下中も重ね合わせを維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン重ね合わせ状態にあるナノダイヤモンドが、不均一磁場中で一貫した力の重ね合わせを経験できるか？
• RQ2 巨視的空間的重ね合わせを可能にするために、十分にスピンコherー次時間を延長するにはどの程度の温度低下が必要か？
• RQ3 10 K未満の温度でナノダイヤモンドにおいて1回の測定によるスピン読み取りが可能になるか？ これにより実験のオーバーヘッドが削減できるか？
• RQ4 10^4 T/mの磁場勾配下で、現実的な実験条件下で達成可能な最大の空間的重ね合わせ距離は何か？
• RQ5 このような系における主要なデコherence要因は何か？ それらはどのように緩和できるか？

主な発見

• ナノダイヤモンドを10 K未満に冷却することで、スピンコherー次時間は2 msから500 msへ延長され、250倍の改善が達成された。
• この延長されたコherー次時間により、10^4 T/mの磁場勾配下で1 μmの直径を有するナノダイヤモンドに対して1 μmを超える空間的重ね合わせが可能になった。
• 向上したコherー次時間と1回の測定によるスピン読み取り機能により、従来のアンサンブル平均と比較して必要な実験回数が10,000分の1に削減された。
• 提案された設計により、主な障壁である熱運動およびスピン緩和によるデコherenceが効果的に緩和された。
• 必要な冷却および磁場勾配は現在の技術で達成可能であり、実験は現実的である。
• 低温動作とダイヤモンド内NV中心の固有の安定性の組み合わせにより、一般的なデコherence要因に対してシステムは頑健である。