[論文レビュー] Optically coherent nitrogen-vacancy defect centers in diamond nanostructures

Laura Orphal‐Kobin, Kilian Unterguggenberger+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、材料およびプロセス最適化による電気的ノイズ低減により、寿命制限の線幅（14 MHz）と長期間にわたるスペクトル安定性（3分間で150 MHzの非一様線幅）を達成したダイヤモンドナノピラー内の光学的コherentlyな窒素空孔（NV）欠陥中心を示している。著者らは、スペクトル再配列とダイナミック制御を組み合わせることでスペクトル拡散を低減する高レートのエンタングルメントプロトコルを提案し、最大450 kHzのエンタングルメント生成を可能としている。

ABSTRACT

Optically active solid-state spin defects have the potential to become a versatile resource for quantum information processing applications. Nitrogen-vacancy defect centers (NV) in diamond act as quantum memories and can be interfaced by coherent photons as demonstrated in entanglement protocols. However, in particular in diamond nanostructures, the effect of spectral diffusion leads to optical decoherence hindering entanglement generation. In this work, we present strategies to significantly reduce the electric noise in diamond nanostructures. We demonstrate single NVs in nanopillars exhibiting lifetime-limited linewidth on the time scale of one second and long-term spectral stability with inhomogeneous linewidth as low as 150 MHz over three minutes. Excitation power and energy-dependent measurements in combination with nanoscopic Monte Carlo simulations contribute to a better understanding of the impact of bulk and surface defects on the NV's spectral properties. Finally, we propose an entanglement protocol for nanostructure-coupled NVs providing entanglement generation rates up to hundreds of kHz.

研究の動機と目的

• ダイヤモンドナノ構造におけるスペクトル拡散がNV中心の光学的コherenecyを劣化させ、量子応用を制限する問題に対処すること。
• バルクおよび表面欠陊からの電気的ノイズを低減することで、ナノピラー内に位置するNV中心の長期的スペクトル安定性と狭い線幅を実現すること。
• デコherenceをダイナミックスペクトル制御により低減することで、ナノ構造に結合されたNV中心を対象としたスケーラブルで高レートのエンタングルメントプロトコルを開発すること。
• シミュレーションと実験的測定を用いて励起パワーと欠陊分布がNVスペクトル特性に与える影響を理解すること。

提案手法

• 表面欠陊を最小限に抑える表面終末制御を施した電子線リソグラフィーとドライエッチングを用いたダイヤモンドナノピラーの作製。
• 線幅の測定とパワー広がりパラメータの抽出のため、変動する励起パワーとスキャン速度を用いた光励起分光法（PLE分光）の実施。
• 電荷トラップからのフラクチュエーティング電場をモデル化し、スペクトル拡散に起因する線幅広がりを予測するナノスケールのモンテカルロシミュレーションの実施。
• 3段階のエンタングルメントプロトコルの実装：NV初期化、500 kHz繰り返しレートでの共鳴πパルスベースのエンタングルメント生成、PLEスキャンによるスペクトル再配列。
• イオン化イベント後のNV遷移周波数安定化のための525 nm初期化パルスとDC電圧チューニングの使用。
• 確率的拡散モデルを用いて電荷ダイナミクスをシミュレートし、欠陊密度とスペクトル不安定性の相関関係を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面およびバルク欠陊がダイヤモンドナノピラー内のNV中心の光学的コherenecyに与える影響は何か？
• RQ2 ダイヤモンドナノ構造における電気的ノイズを十分に低減することで、寿命制限の線幅を達成できるか？
• RQ3 励起パワーが単一NV中心の観測線幅とスペクトル安定性に与える影響は何か？
• RQ4 スペクトル拡散が能動的に制御される場合、ナノ構造NV系で達成可能な最大エンタングルメント生成レートは何か？
• RQ5 スペクトル再配列プロトコルは、イオン化に起因するスペクトルジャンプ後にコherenecyを回復できるか？

主な発見

• ナノピラー内の単一NV中心は、14 MHzの寿命制限線幅を達成し、3分間にわたり150 MHzという狭い非一様線幅を維持した。
• 測定された線幅は、自然線幅が16.2 ± 1.8 MHz、飽和パワーが5.4 ± 2.2 nWを予測するモンテカルロシミュレーションと整合的であった。
• 励起パワー依存測定から、γ = γ₀√(1 + P/P_sat)に従うパワー広がり行動が確認され、P_sat ≈ 5.4 nWであった。
• PLEスキャン（スキャン速度6 GHz/s）によるスペクトル再配列は、5 ms程度で推定され、スペクトルジャンプ後の迅速な回復が可能であることが示された。
• 提案されたエンタングルメントプロトコルは、技術的要因による制限のみを受けることなく、最大450 kHzのエンタングルメント生成レートをサポートしている。
• ヘリウムイオンドーピングによるNVは、イオンドーピングNVに比べて優れたコherenecyを示し、格子損傷と低い欠陊密度が原因であると示唆された。