[論文レビュー] Millisecond electron spin coherence time for erbium ions in silicon

Ian R. Berkman, Alexey Lyasota+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2023

Quantum optics and atomic interactions被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、核スピンのないケイ素で、イッテルビウムイオンの電子スピンのコherences時間が1.2 msに達する（最大1.2 ms）ことを示した。光学的検出により得られた結果であり、11 mT付近で長時間のスピンコherencesが実現された。本研究では、70 kHz未満の均一分光幅を報告し、通信波長帯に適合したスピン光子インターフェースを有するスケーラブル量子情報処理のための高忠実度プラットフォームとしてEr3+:Siを確立した。

ABSTRACT

Spins in silicon that are accessible via a telecom-compatible optical transition are a versatile platform for quantum information processing that can leverage the well-established silicon nanofabrication industry. Key to these applications are long coherence times on the optical and spin transitions to provide a robust system for interfacing photonic and spin qubits. Here, we report telecom-compatible Er3+ sites with long optical and electron spin coherence times, measured within a nuclear spin-free silicon crystal (<0.01% 29Si) using optical detection. We investigate two sites and find 0.1 GHz optical inhomogeneous linewidths and homogeneous linewidths below 70 kHz for both sites. We measure the electron spin coherence time of both sites using optically detected magnetic resonance and observe Hahn echo decay constants of 0.8 ms and 1.2 ms at around 11 mT. These optical and spin properties of Er3+:Si are an important milestone towards using optically accessible spins in silicon for a broad range of quantum information processing applications.

研究の動機と目的

• スケーラブル量子技術のためのイッテルビウムドーピングケイ素における長時間の電子スピンコherences時間を達成すること。
• 長時間の光学的およびスピンコherences時間を有する、光学的にアクセス可能なEr3+イオンをケイ素で実証すること。
• 29Siの核スピンを除去した28Siを活用し、29Siのハイパーフィン結合に起因するデコherencesを最小限に抑えること。
• 通信波長帯の遷移を用いて、高忠実度のスピン光子インターフェースを実現すること。
• 長寿命のキュービットを有する、スケーラブルでケイ素と適合する量子情報処理プラットフォームを確立すること。

提案手法

• 29Si含有率が0.01%未満の同素体で純化された28Si結晶を用い、核スピンによるデコherencesを最小限に抑えた。
• 光学的検出を実施し、光学遷移幅と電子スピンコherences時間を測定した。
• Hahnエコーの減衰を測定するために、光学的検出磁気共鳴（ODMR）を用いた。
• Er3+発光のスペクトル解析により、非一様および均一分光幅を測定した。
• 約11 mTの磁場下でHahnエコー測定を実施し、T2コherences時間を決定した。
• ケイ素格子内に、異なる光学的およびスピン的性質を示す2つの異なるEr3+サイトを同定・特徴付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ケイ素中のEr3+イオンは、1 msを超える電子スピンコherences時間を達成できるか？
• RQ2 28Si中のEr3+イオンの光学幅（非一様および均一）は何か？
• RQ3 29Siの核スピンが存在しないことで、Er3+:Si中の電子スピンコherencesにどのような影響を与えるか？
• RQ4 光学的検出磁気共鳴は、半導体被膜中でのEr3+イオンで長時間のスピンコherences時間を解明できるか？
• RQ5 Er3+はケイ素中で通信波長帯に適合したスピン光子インターフェースとして、どのような性能を示すか？

主な発見

• Hahnエコー減衰を用いた測定により、28Si中の2つのEr3+サイトの電子スピンコherences時間（T2）は、約11 mTで0.8 msおよび1.2 msに達した。
• 両サイトの均一分光幅は70 kHz未満であり、それぞれ66 kHzおよび52 kHzであった。
• 非一様分光幅は148 MHzおよび72 MHzであり、高いスペクトル安定性を示した。
• 光学遷移は通信帯（Cバンド）に適合しており、低損失の光子統合が可能である。
• 長時間のスピンコherencesは、核スピンのない28Si環境により実現されており、ハイパーフィン結合の影響が最小限に抑えられた。
• 本研究により、スケーラブルなケイ素ナノプロセス環境で、長寿命かつ光学的にアクセス可能なスピンキュービットを実現するプラットフォームとして、Er3+:Siの有効性が確立された。