[論文レビュー] Multi-mode storage and retrieval of microwave fields in a spin ensemble

Cécile Grèzes, Brian Julsgaard+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2014

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science被引用数 21

ひとこと要約

本論文は、超伝導共振器に結合されたダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心を用いて、マイクロ波場のマルチモードのストレージとリトリーブを実証した。光励起による能動的スピンリセットとHahnエコー法による再フォーカスを実装することで、最大35 µsのストレージ時間とユニティに近いエコー効率を達成し、過去の研究と比較して3桁の改善を実現した。これにより、ピコワットレベルの量子レベルでの動作が可能になった。

ABSTRACT

A quantum memory at microwave frequencies, able to store the state of multiple superconducting qubits for long times, is a key element for quantum information processing. Electronic and nuclear spins are natural candidates for the storage medium as their coherence time can be well above one second. Benefiting from these long coherence times requires to apply the refocusing techniques used in magnetic resonance, a major challenge in the context of hybrid quantum circuits. Here we report the first implementation of such a scheme, using ensembles of nitrogen-vacancy (NV) centres in diamond coupled to a superconducting resonator, in a setup compatible with superconducting qubit technology. We implement the active reset of the NV spins into their ground state by optical pumping and their refocusing by Hahn echo sequences. This enables the storage of multiple microwave pulses at the picoWatt level and their retrieval after up to $35 μ$s, a three orders of magnitude improvement compared to previous experiments.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービット技術と互換性を持つ長コherencteマイクロ波量子メモリの開発を目的とする。
• ミリケルビン温度下におけるスピンアンサンブルのスピン緩和および非一様な位相崩壊の課題を克服することを目的とする。
• 光励起による能動的スピンリセットとHahnエコー法による再フォーカスを用いて、量子レベルでのマルチモードストレージを実装することを目的とする。
• 最小限の損失と高い効率で、弱いマイクロ波パルスの高忠実度・オンデマンドリトリーブを達成することを目的とする。

提案手法

• 長コヒーレンス時間を持つスピンアンサンブルとして、ダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心を用いる。
• 高Qファクターの超伝導マイクロ波共振器と結合させることで、高い協調性を達成する。
• 繰り返し動作を可能にするために、スピンアンサンブルを基底状態に能動的にリセットするための光励起を適用する。
• 2つのπパルスを用いたHahnエコー法により、位相崩壊を再フォーカスし、マルチモードストレージを可能にする。
• 2パルスエコー（2PE）プロトコルを用いて、逆順にマイクロ波パルスをストレージおよびリトリーブし、高い忠実度を実現する。
• スピンと共振器の場の運動方程式を結合させたモデルを用い、異なるT2時間を持つ2つのスピン準位アンサンブルを考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光励起による能動的スピンリセットは、マイクロ波量子メモリの高繰り返しレート動作を可能にするか？
• RQ2 Hahnエコー法は、量子レベルのハイブリッドスピン-マイクロ波系において、位相崩壊を効果的に再フォーカスできるか？
• RQ3 制御された位相崩壊を伴うスピンアンサンブルで、マイクロ波パルスの最大ストレージ時間はどの程度達成可能か？
• RQ4 マルチモード設定下で、エコー効率はストレージ時間および駆動パワーにどのように依存するか？
• RQ5 非マコフ的デコherence効果は、標準的なスピン位相崩壊モデルを超えて、エコー忠実度をどの程度制限するか？

主な発見

• 著者らは、最大35 µsの遅延を達成したマイクロ波パルスのストレージとリトリーブに成功し、過去の実験と比較して3桁の改善を実現した。
• 最も強いエコーにおいて、エコーリトリーブ効率は約3.1%であった。シミュレーション値と比較して、前因数が7倍低いことから、スピン位相崩壊を超える追加のデコherence要因が存在することが示唆された。
• シミュレーションでは、スピン位相崩壊がエコー効率損失の主因であり、平均効率における前因数は0.21であったが、実験では前因数はわずか0.031にとどまった。
• 高速および低速位相崩壊サブアンサンブルを想定したシミュレーションにおいて、再フォーカスパルス中の共振器場はほぼ同一であった。これは、外部駆動がスピン反応場を上回ることを示している。
• 観測されたエコー振幅の減衰は、f(τ)²の関数に従い、f(τ) = A exp(-2τ/T2A) + B exp(-2τ/T2B) と表され、スピンの非一様性に起因する多重指数関数的減衰と整合的であった。
• シミュレーションと実験の間の効率の乖離は、標準的なマコフ近似では捉えきれないスピンバスタイプの非マコフ的デコherence効果が顕著に寄与していることを示唆している。