[論文レビュー] Robust quantum-network memory based on spin qubits in isotopically engineered diamond

C. E. Bradley, Sébastian de Bone+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2021

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、同位体設計を施したダイヤモンド内の1つの13C核スピンを用いた、耐障害性の高い量子ネットワークメモリを実証している。光リンク操作中のデコherenceを抑制することで、10⁵エンタングルメントサイクルを超える寿命を達成し、前例に比べ2桁長い。これにより高いリンク効率（η*_{link} ≈ 10）が実現され、確定的2キュービットゲートおよび4ノードGHZ状態生成への道筋が開かれる。

ABSTRACT

Quantum networks can enable long-range quantum communication and modular quantum computation. A powerful approach is to use multi-qubit network nodes which provide the quantum memory and computational power to perform entanglement distillation, quantum error correction, and information processing. Nuclear spins associated with optically-active defects in diamond are promising qubits for this role. However, their dephasing during entanglement distribution across the optical network hinders scaling to larger systems. In this work, we show that a single 13C spin in isotopically engineered diamond offers a long-lived quantum memory that is robust to the optical link operation of an NV centre. The memory lifetime is improved by two orders-of-magnitude upon the state-of-the-art, and exceeds the best reported times for remote entanglement generation. We identify ionisation of the NV centre as a newly limiting decoherence mechanism. As a first step towards overcoming this limitation, we demonstrate that the nuclear spin state can be retrieved with high fidelity after a complete cycle of ionisation and recapture. Finally, we use numerical simulations to show that the combination of this improved memory lifetime with previously demonstrated entanglement links and gate operations can enable key primitives for quantum networks, such as deterministic non-local two-qubit logic operations and GHZ state creation across four network nodes. Our results pave the way for test-bed quantum networks capable of investigating complex algorithms and error correction.

研究の動機と目的

• 光エンタングルメント分配中のデコherenceによる量子メモリの短命化という量子ネットワークの課題に対処する。
• ダイヤモンド内の既存の核スピンキュービットが、繰り返し遠隔エンタングルメント操作中に位相崩壊を受けるという制限を克服する。
• エンタングルメント生成と測定の複数サイクルにわたって量子状態を維持できる耐障害性の高いデータキュービットシステムを開発する。
• スケーラブルな量子ネットワークプロトコル（例えばエンタングルメントの精錬やエラー訂正）を支援する高効率リンク（η*_{link}）を実現する。
• NVセンターでのイオン化を、ネットワーク運用中の新たなデコherenceメカニズムとして同定し、これを緩和する。

提案手法

• データキュービットとして13C核スピンを用い、スピン光インターフェースを実現する窒素・バケーション（NV）センターと結合させた同位体設計ダイヤモンドを用いた。
• ダイナミカルデカップリングシーケンスを用いて、1つの13Cスピンのシングルショットリードアウトとコherent制御を実施し、コherency時間を延長した。
• 磁場安定性を維持し、スピン操作に影響するドリフトを最小限に抑えるためにフィードバック安定化を採用した。
• 磁場ドリフトがスピンの忠実度を低下させるデータランを除外するために、リファレンス測定プロトコルを実装した。
• イオン化やデコherence効果を含む現実的な条件を想定したネットワーク性能をモデル化するため、数値シミュレーションを実施した。
• デコherenceデータをストレッチド指数関数でフィッティング：F(t) = A·exp[−(t/T)^n] により、さまざまな条件下でのT₂*およびT₁ timescalesを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同位体設計を施したダイヤモンド内の1つの13C核スピンは、光ネットワーク操作に対し耐障害性を持つ長寿命量子メモリとして機能できるか？
• RQ2 13Cスピンは、デコherenceが性能を制限する前に、最大で何回の遠隔エンタングルメントサイクルを耐えられるか？
• RQ3 NVセンターのイオン化は、核スピンメモリの忠実度および寿命にどのように影響するか？
• RQ4 NVのイオン化および再捕獲後に核スピン状態を信頼性高く復元できるか？これにより耐障害性の高い運用が可能になるか？
• RQ5 向上したメモリ寿命は、確定的2キュービットゲートやマルチノードGHZ状態生成といった高度なネットワークプリミティブをどれほど可能にするか？

主な発見

• 13Cスピンメモリの寿命は10⁵エンタングルメントサイクルを超過し、最先端の結果に比べ2桁の改善を達成した。
• 自由誘導減衰状態における13Cスピンの有効デコherence時間T₂*は57(3) msに達し、ストレッチド指数関数フィッティングにより高いコherencyが示された。
• NVセンターのイオン化が新たな制限要因のデコherenceメカニズムとして同定され、5%の閾値で特徴的なイオン化時間定数は約3.0×10⁵サイクルであった。
• NVのイオン化および再捕獲後の高忠実度状態回収（校正値の75%以上）が実証され、このプロセスに対する耐性が確認された。
• 数値シミュレーションにより、このメモリ性能をもとにη*_{link} ≈ 10が達成可能であり、確定的非局所2キュービットゲートおよび4ノードGHZ状態生成が可能になることが示された。
• 繰り返しエンタングルメント操作下での13Cスピンの測定T₂*は、N=8サイクルで2.91(8) sに達し、ネットワーク運用中の顕著な安定性を示した。