[論文レビュー] Noise spectroscopy of a quantum-classical environment with a diamond qubit

Santiago Hernández-Gómez, Francesco Poggiali+2 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Aug 24, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、分離された核スピンと集団的量子バーストを併せ持つハイブリッド量子古典的環境を特徴付けるために、ダイヤモンド窒素空位（NV）中心を用いたノイズスペクトロスコピー手法を提示する。磁場バイアスを調整することで、短いコherences時間下でもノイズスぺクトル密度を再構築可能であり、特に強い結合状態におけるqubit-バーストのフィードバック効果により、複数の古典的ノイズモデルの必要性が明らかになる。

ABSTRACT

Knowing a quantum system's environment is critical for its practical use as a quantum device. Qubit sensors can reconstruct the noise spectral density of a classical bath, provided long enough coherence time. Here we present a protocol that can unravel the characteristics of a more complex environment, comprising both unknown coherently coupled quantum systems, and a larger quantum bath that can be modeled as a classical stochastic field. We exploit the rich environment of a Nitrogen-Vacancy center in diamond, tuning the environment behavior with a bias magnetic field, to experimentally demonstrate our method. We show how to reconstruct the noise spectral density even when limited by relatively short coherence times, and identify the local spin environment. Importantly, we demonstrate that the reconstructed model can have predictive power, describing the spin qubit dynamics under control sequences not used for noise spectroscopy, a feature critical for building robust quantum devices. At lower bias fields, where the effects of the quantum nature of the bath are more pronounced, we find that more than a single classical noise model are needed to properly describe the spin coherence under different controls, due to the back action of the qubit onto the bath.

研究の動機と目的

• コherentな量子系と古典的バーストを併せ持つ複雑な環境を特徴付けることができるノイズスペクトロスコピー手法の開発。
• 短いqubitコherences時間下における従来のノイズスペクトロスコピーの限界を克服すること。
• 強い結合状態におけるqubit-バーストフィードバックがノイズモデリングに与える影響の調査。
• 異なるダイナミカルデコherenceシーケンスにおいて再構築されたノイズモデルの予測能力の妥当性の検証。
• 量子バースト効果が支配的になる状況では、複数の古典的ノイズモデルが必要であることを実証すること。

提案手法

• 本手法は、13C核スピンを含む局所環境をプローブするため、ダイヤモンド内の窒素空位（NV）電子スピンを量子センサーとして用いる。
• ノイズスぺクトル密度（NSD）は、UDD、XY-8、AXY-8を含むさまざまなダイナミカルデコherence（DD）シーケンス下でのスピンコherences分析により再構築される。
• NSD抽出のための2つの異なる手法を採用：1つは$T_2^L$測定に基づくもの、もう1つは複数のDDシーケンスにわたる集団的データ$P_n$の同時フィッティングによるもの。
• NSDの中心はラーモア周波数$\nu_L = B\gamma_{C_{13}}$に固定され、オフセット、振幅、幅が自由パラメータとなる。
• 磁場とパルスシーケンスを変化させたシミュレーションと実験データの比較により、手法の妥当性を検証した。
• 強い結合状態では2モデルの図式を採用し、両方のNSD抽出手法の結果を組み合わせることで、予測精度を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コherentな量子系と集団的量子バーストを併せ持つ環境に対して、ノイズスペクトロスコピーが有効に適用可能か？
• RQ2 qubit-バーストフィードバックが強い結合状態における古典的ノイズモデルの妥当性に与える影響は？
• RQ3 再構築されたノイズモデルは、スペクトロスコピーに使用されなかった制御シーケンス下でのqubitダイナミクスを予測できるか？
• RQ4 どのような条件下で単一の古典的ノイズモデルでは不十分となるか？
• RQ5 異なるダイナミカルデコherenceシーケンスは、ノイズスぺクトル密度再構築の信頼性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 再構築されたノイズモデルは、スペクトロスピーに使用されなかった制御シーケンス下でもNVスピンダイナミクスをうまく予測でき、予測能力を示した。
• 弱い結合状態（高磁場）では、単一の古典的ノイズモデルで十分であり、さまざまなDDシーケンス下でのコherencesを正確に記述できた。
• 強い結合状態（低磁場）では、qubitがバーストに与える影響により、複数の古典的ノイズモデルが必要となることが判明した。特に、狭帯域フィルタリングDDシーケンス下で顕著であった。
• $T_2^L$に基づくNSD抽出手法は、パルス数が少ない（例：ハーンエコー）シーケンスでのみ、ダイナミクスをうまく予測できた。これは深いコherences崩壊に起因する。
• 複数のシーケンスにわたる$P_n$データの同時フィッティングは、パルス数が多いシーケンスでは精度を向上させたが、Cpmg（$n=2$）のようなパルス数が少ないシーケンスでは失敗した。
• 両手法を組み合わせた2モデルアプローチは、弱い結合状態では$T_2^L$手法と同等の$\chi_\nu^2$値を達成し、その堅牢性を確認した。