[論文レビュー] Quantum optics with nitrogen-vacancy centers in diamond

Yiwen Chu, Mikhail D. Lukin|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2015

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science参考文献 15被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、ダイヤモンド中の窒素空位（NV）中心における一貫性のある光的制御および量子インターフェース工学を示し、キャビティ量子電磁力学（QED）を用いてゼロフォノンライン（ZPL）発光のパーセル効果を実現した。主な結果として、ZPL発光が20倍増強され、全発光のうちZPL寄与率が40%に達した。これにより、高精度なスピン光子もつれ状態が実現され、スケーラブルな量子ネットワークの実現に道を開いた。

ABSTRACT

We review the electronic level structure of the nitrogen-vacancy in diamond and some common experimental techniques to study its optical properties at low temperatures. We then summarize several recent experiments and advances in using nitrogen-vacancy centers for quantum optics.

研究の動機と目的

• ダイヤモンド中のNV中心を用いた一貫性のある光的制御技術の開発および実証、量子情報およびセンシングへの応用を目的とする。
• 長距離量子通信を実現するため、NV中心スピンキュービットと光子の結合を克服することを目的とする。
• ダイヤモンドベースのナノフォトニクスキャビティを用いて、NV中心からの単一光子発光の効率および忠実度を向上させることを目的とする。
• 実用的な量子技術の実現に向け、NV中心をフォトニクスデバイスにスケーラブルに統合することを目的とする。
• 遠隔もつれ状態およびトランスポートを実現するためのスペクトル安定性と同一性のある光子発光を実現することを目的とする。

提案手法

• スピン光子量子インターフェースとして、窒素空位（NV）中心を有する高品質な合成ダイヤモンドを用いた。
• 光学遷移およびスピン依存の光学的性質を特徴付けるために、光励起分光法（PLE分光法）を用いた。
• プラズマエッチングを用いて、ダイヤモンドベースのナノフォトニクスキャビティを設計し、キャビティ共振周波数をNV中心のゼロフォノンライン（ZPL）に合わせた。
• キャビティ共振時における寿命の短縮を測定し、18.5 ns（非共鳴時）から11.6 ns（共鳴時）に減少し、パーセル要因は0.59、ZPL増幅要因は20に達した。
• コherent population trapping（CPT）技術を用いて、NV中心のスピン状態を制御し、光学発光を制御した。
• フォトニクス構造とNV中心を統合することで、光子収率を向上させ、高精度な量子状態転送を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンド中のNV中心は、光場を用いて一貫性を持って制御可能であり、スピン光子もつれ状態を実現できるか？
• RQ2 キャビティ量子電磁力学（QED）は、NV中心の発光速度およびZPL寄与率をどの程度向上できるか？
• RQ3 歪みおよび局所的環境は、ダイヤモンド中のNV中心の光学的およびスピン的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ4 NV中心のスペクトル安定性を向上させれば、量子ネットワーキングに適した同一性のある光子発光を実現できるか？
• RQ5 ナノフォトニクスデバイスとNV中心を統合する潜在的利点は、スケーラブルな量子フォトニクス回路の構築にどのように寄与するか？

主な発見

• パーセル要因0.59を達成し、ナノフォトニクスキャビティに結合されたNV中心に対して、ゼロフォノンライン（ZPL）発光が20倍増幅された。
• キャビティがZPLに共鳴調節された際、ZPLが全発光に占める寄与率が約40%に上昇し、フォノンサイドバンド発光の顕著な抑制が確認された。
• NV中心の励起状態の寿命は、非共鳴時（18.5 ns）から共鳴時（11.6 ns）に短縮され、キャビティ結合に起因する放射性遷移の増強が裏付けられた。
• コherent population trapping（CPT）が成功裏に適用され、NV中心のスピン状態の制御が可能となり、光学遷移の精密な操作が実現された。
• スピン光子もつれ状態が実験的に実証され、固体スピンキュービットと光子との間で量子情報の転送が可能となった。
• NV中心とダイヤモンドベースのナノフォトニクスデバイスを統合する理論的および実験的フレームワークが確立され、効率的でスケーラブルな量子インターフェースの実現が可能となった。