[論文レビュー] Real-Time Charge Initialization of Diamond Nitrogen-Vacancy Centers for Enhanced Spin Readout

David A. Hopper, J. Lauigan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 62被引用数 42

ひとこと要約

本論文は、室温下でダイヤモンド窒素空位（NV）中心の電荷状態を決定的に初期化するリアルタイムフィードバック制御手法を提示し、電荷初期化忠実度99.4±0.1%を達成した。スピンから電荷への変換読み出しと統合することで、量子センシングの速度が20倍に向上し、1つのNV中心で1.3 nT/Hz¹²の交流磁場感度を達成した。

ABSTRACT

A common impediment to qubit performance is imperfect state initialization. In the case of the diamond nitrogen-vacancy (NV) center, the initialization fidelity is limited by fluctuations in the defect's charge state during optical pumping. Here, we use real-time control to deterministically initialize the NV center's charge state at room temperature. We demonstrate a maximum charge initialization fidelity of 99.4$\pm$0.1% and present a quantitative model of the initialization process that allows for systems-level optimization of the spin-readout signal-to-noise ratio. Even accounting for the overhead associated with the initialization sequence, increasing the charge initialization fidelity from the steady-state value of 75% near to unity allows for a factor-of-two speedup in experiments while maintaining the same signal-to-noise-ratio. In combination with high-fidelity readout based on spin-to-charge conversion, real-time initialization enables a factor-of-20 speedup over traditional methods, resulting in an ac magnetic sensitivity of 1.3 nT/Hz$^{1/2}$ for our single NV-center spin. The real-time control method is immediately beneficial for quantum sensing applications with NV centers as well as probing charge-dependent physics, and it will facilitate protocols for quantum feedback control over multi-qubit systems.

研究の動機と目的

• NV中心における確率的電荷状態初期化の制限を克服し、スピン読み出しコントラストと信号対雑音比を低下させることを防ぐ。
• 室温下でNV−電荷状態を決定的に初期化できるリアルタイムフィードバック制御プロトコルを開発する。
• 量子センシングアプリケーションにおけるスピン読み出し効率を向上させ、測定時間を短縮する。
• 高忠実度でNV−またはNV0状態、あるいは任意の中間分布に初期化できるようにすることで、信号対雑音比を最適化する。
• リアルタイム初期化とスピンから電荷への変換読み出しを組み合わせることで、量子センシングの速度を20倍に向上させることを実証する。

提案手法

• リアルタイムフィードバックループはFPGAを用い、赤色レーザーによる電荷プローブ中の光子数をモニタリングし、所定のしきい値に達すると初期化ループからの脱出をトリガーする。
• システムは532 nmの緑色レーザーを光学ポンプに、635 nmの赤色レーザーを電荷状態読み出しに用い、タイミングは任意波形発生器（AWG）とデータ取得（DAQ）システムで制御される。
• 光子分布モデルはNV−とNV0状態間の遷移を考慮し、γ−、γ0、ΓIon（イオン化）、ΓRec（再結合）のレートを含み、定量的最適化を可能にする。
• プロトコルはしきい値ベースの検出方式を採用：高いしきい値はより多くの光子を必要とすることで、誤り率を低下させ、忠実度を向上させる。
• Rabi振動と寿命測定を用いて妥当性を検証し、一時的蛍光の同時フィッティングにより、スピン極化と崩壊レートを抽出した。
• 初期化プロセスの包括的モデルにより、任意の実験時間における初期化および読み出しパラメータのシステムレベル最適化が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リアルタイムフィードバック制御は、室温下でNV中心の電荷状態を決定的に初期化可能であり、75%の定常状態忠実度の限界を超えることができるか？
• RQ2 電荷初期化忠実度を向上させることで、従来の光励起蛍光とスピンから電荷への変換読み出しの両方におけるスピン読み出し信号対雑音比にどのような影響を与えるか？
• RQ3 リアルタイム制御を用いた場合、得られる最大の電荷初期化忠実度は何か？また、プローブ出力としきい値設定にどのように依存するか？
• RQ4 リアルタイム電荷初期化とスピンから電荷への変換読み出しを組み合わせることで、量子センシング実験の速度を顕著に向上させることができるか？
• RQ5 初期化忠実度が単一NV中心の全体的な磁場感度に与える影響は何か？

主な発見

• リアルタイム電荷初期化（RTI）プロトコルは、より高い検出しきい値（ν=2）と最適化されたプローブパラメータを用いることで、最大99.4±0.1%の電荷初期化忠実度を達成した。
• 99.4%の忠実度における平均初期化時間は7 msであり、初期化誤り率は0.6%にまで低下し、しきい値1の場合と比較して2.5倍の誤り率低減が達成された。
• オーバーヘッドを考慮しても、忠実度を75%からほぼ100%に向上させることで、同じ信号対雑音比を維持したまま実験を2倍に高速化できる。
• RTIとスピンから電荷への変換読み出しを組み合わせることで、従来手法に比べて20倍の速度向上が達成され、1.3 nT/Hz¹²の交流磁場感度を実現した。
• 寿命測定により、スピン極化が上昇していることが確認された：RTIでは94.4±0.7%、定常状態初期化では91.5±0.7%であり、初期化品質の向上が裏付けられた。
• 初期化時間の最適化により信号対雑音比が最大に達し、43 µsの初期化時間で1ショットSNRが0.4、読み出し雑音σR = 3.67が得られた。