[論文レビュー] Microwave-based quantum control and coherence protection of tin-vacancy spin qubits in a strain-tuned diamond membrane heterostructure

Xinghan Guo, Alexander M. Stramma+20 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2023

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ひずみ調整されたダイヤモンド膜ヘテロ構造におけるスズバケンシー（SnV）スピンキュービットのマイクロ波を用いた制御とコherー二ンス保護を示している。SnVをドーピングしたダイヤモンド膜を融けた石英に接合することで、受動的に一様な引張ひずみ（約0.1%）が生成され、高精度なマイクロ波制御（99.36%のゲート fidelity）が可能となり、4 Kでスピンコherー二ンス時間は223(10) μsまで延長された。これはこの温度帯におけるグループIVキュービットで記録的な性能である。

ABSTRACT

Robust spin-photon interfaces in solids are essential components in quantum networking and sensing technologies. Ideally, these interfaces combine a long-lived spin memory, coherent optical transitions, fast and high-fidelity spin manipulation, and straightforward device integration and scaling. The tin-vacancy center (SnV) in diamond is a promising spin-photon interface with desirable optical and spin properties at 1.7 K. However, the SnV spin lacks efficient microwave control and its spin coherence degrades with higher temperature. In this work, we introduce a new platform that overcomes these challenges - SnV centers in uniformly strained thin diamond membranes. The controlled generation of crystal strain introduces orbital mixing that allows microwave control of the spin state with 99.36(9) % gate fidelity and spin coherence protection beyond a millisecond. Moreover, the presence of crystal strain suppresses temperature dependent dephasing processes, leading to a considerable improvement of the coherence time up to 223(10) $μ$s at 4 K, a widely accessible temperature in common cryogenic systems. Critically, the coherence of optical transitions is unaffected by the elevated temperature, exhibiting nearly lifetime-limited optical linewidths. Combined with the compatibility of diamond membranes with device integration, the demonstrated platform is an ideal spin-photon interface for future quantum technologies.

研究の動機と目的

• 高温下でのスズバケンシー（SnV）中心における効率的なマイクロ波制御と限界的なスピンコherー二ンスの欠如に対処する。
• 有効なスピン-ひずみ相互作用とオービタル混合を実現するのに十分なひずみ（約0.1%）をダイヤモンドに達成する課題を克服する。
• 4 Kで高精度な量子制御と長寿命のスピンコherー二ンスを実現するためのスケーラブルで統合可能なプラットフォームを開発する。
• mKシステムを必要とせず、アクセス可能な冷却温度（4 K）で動作させることで、実用的な量子ネットワーキングとセンシングを可能にする。

提案手法

• 高品質な化学気相成長法を用いてSnV中心をドーピングした薄いダイヤモンド膜を製造した。
• 熱膨張係数の異なる融けた石英基板と接合することで、一様な面内引張ひずみ（約0.1%）を誘導した。
• ボンディング後、共面波ガイドを用いてマイクロ波パルスを供給し、スピンのコherー二ンス制御を実現した。
• スピンコherー二ンス時間の延長のために、ダイナミカルデカップリングシーケンス（XY8、2XY8）を用いた。
• ゼロフォノンラインのシフトとスピン幅を評価するために、光励起分光法を用いて光学的性質を測定した。
• 1.7 Kおよび4 Kでランダム化ランクイングバックイングとラビ振動を用いて、マイクロ波ゲートfidelityを特徴付けた。

Figure 1: Strained SnV in diamond membrane heterostructures. (a) Schematics of the diamond-fused silica heterostructure. The static, tensile strain inside the membrane is generated from the disparity of thermal expansion ratios of diamond and fused silica. (b) The microscope image of the diamond mem

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンド膜における制御されたひずみが、SnVスピンキュービットの効率的なマイクロ波制御を可能にするか？
• RQ2 4 Kにおけるひずみ誘導オービタル混合が、SnV中心のスピンコherー二ンスをどの程度向上させるか？
• RQ3 ひずみ調整された膜プラットフォームにおいて、SnVスピンキュービットのコherー二ンス時間は温度にどのように依存するか？
• RQ4 このひずみヘテロ構造において、7 Kまでの高温でもSnV中心の光学的コherー二ンスが維持されるか？
• RQ5 このプラットフォームは、マイクロ波およびフォトニック部品のスケーラブル統合と互換性があるか？

主な発見

• 4.50(2) MHzおよび24 dBmのマイクロ波パワーで、SnVスピンキュービットのラビゲートfidelityが99.36(9)%に達成された。
• 1.7 KでT₂が1.57(8) ms、4 KでT₂が223(10) μsにまで延長された（ダイナミカルデカップリングを用いて）。
• 4 KでのT₂,echoは74(2) μsであり、T₂,2XY8は223(10) μsに達し、崩壊制限値に近づいた。
• ゼロフォノンラインのスピン幅は7 Kまで52.0(8) MHz未満を維持し、ほぼ寿命制限の光学的コherー二ンスを示した。
• ひずみ誘導オービタル混合により、外部磁場を必要とせずに効果的なスピン制御が可能になった。
• プラットフォームは4 Kで動作可能であり、mKシステムと比較して冷却インfraの必要性を顕著に低減した。

Figure 2: Optical properties of the strained SnV center under applied magnetic fields at $1.7\text{\,}\mathrm{K}$ . (a) The energy splitting rate between the A1-B2 spin conserving transitions with respect to the polar angle $\theta$ of the applied magnetic field at different azimuthal angle $\phi$ .