[論文レビュー] Single-shot readout of multiple nuclear spin qubits in diamond under ambient conditions

A. Dréau, Piernicola Spinicelli+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2012

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、窒素・バケーション（NV）欠陥の電子スピンを量子センサーとして用い、常温下でダイヤモンド中の複数の核スピン量子ビットを一度の測定で高精度に読み取ることを示した。ハイパーフィン相互作用と光学的初期化を活用することで、13C核スピンとNVの固有の14N核スピンを同時に読み取ることに成功し、スピン極化の寿命は数秒を超える。これにより、常環境下でのスケーラブルな量子情報処理が可能となった。

ABSTRACT

We use the electronic spin of a single Nitrogen-Vacancy (NV) defect in diamond to observe the real-time evolution of neighboring single nuclear spins under ambient conditions. Using a diamond sample with a natural abundance of $^{13}$C isotopes, we first demonstrate high fidelity initialization and single-shot readout of an individual $^{13}$C nuclear spin. By including the intrinsic $^{14}$N nuclear spin of the NV defect in the quantum register, we then report the simultaneous observation of quantum jumps linked to both nuclear spin species, providing an efficient initialization of the two qubits. These results open up new avenues for diamond-based quantum information processing including active feedback in quantum error correction protocols and tests of quantum correlations with solid-state single spins at room temperature.

研究の動機と目的

• 自然含有比のダイヤモンドにおいて、常温下で個々の13C核スピンを高精度にワンショット読み取ること。
• 13CとNV欠陥の固有の14N核スピンという2つの核スピン量子ビットを同時に初期化および読み取ることの実証。
• 光学的およびマイクロ波制御を用いてコherency時間の延長と初期化精度の向上を図ることで、耐障害性の高い量子情報処理を実現すること。
• 常温下の固体系において、アクティブフィードバックおよび量子誤り訂正の可能性を検討すること。

提案手法

• ダイヤモンド中の窒素・バケーション（NV）欠陥の電子スピンを量子センサーとして用い、ハイパーフィン相互作用を通じて周囲の核スピンを検出・制御する。
• パルスマイクロ波および光学励起を用いて、NV電子スピン状態を共鳴的に操作・読み取り、核スピンとエンタングルされた状態を生成する。
• NV軸に沿った静的磁場を印けて準位の反クロスを調整し、光学的電子スピン共鳴（OD-ESR）によるスピン読み取り精度を向上させる。
• 光励起時間トレースを解析するための2状態Hidden Markov Modelを用い、量子ジャンプ統計から核スピンの緩和時間（T1）を抽出する。
• 磁場強度に依存する緩和率をモデル化する際、非等方的（Aani）、縦方向（Azz）、横方向（A⊥）のハイパーフィンカップリング成分を用いる。
• 実験的T1データを、緩和率の重み付き和（γ1 ≈ αaniγani + α⊥(gs)γ⊥(gs) + α⊥(es)γ⊥(es)）でフィッティングし、磁場依存の緩和傾向を再現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自然含有比のダイヤモンドにおいて、常温下で13C核スピンのワンショット・高精度読み取りが可能か？
• RQ2 NV欠陥の固有の14N核スピンが、13C核スピンと併せたマルチキュービットレジスタにおいて共鳴的に利用可能か？
• RQ3 ハイパーフィンカップリングおよび外部磁場の存在下で、核スピン緩和に支配的なデ coherent メカニズムは何か？
• RQ4 磁場の向きが核スピンの緩和率およびコherency時間に与える影響は何か？

主な発見

• 中程度の磁場下で、13C核スピンの高精度ワンショット読み取りが実現され、スピン極化寿命は数秒を超えた。
• NV欠陥の固有の14N核スピンは、2キュービット初期化に効率的に寄与し、13Cおよび14Nスピン状態の両方の量子ジャンプを同時に観測可能となった。
• 13Cのハイパーフィン相互作用強度はAzz = 258 ± 10 kHzとして測定され、NV電子スピンと強い結合が確認された。
• 緩和は非等方的ハイパーフィン成分（Aani）が支配的であり、1 kHzでも顕著な緩和率を示すが、準位反クロス付近を除いては顕著である。
• 13Cスピンの緩和時間T1は磁場に強く依存し、明るい状態（|0⟩e|↑⟩）は暗い状態（|−1⟩e|↓⟩）よりも長いT1を示した。
• 重み付き緩和率を用いた簡略化モデルにより、磁場に依存する実験的T1傾向が再現され、ハイパーフィンカップリングが緩和ダイナミクスに果たす役割が裏付けられた。