[論文レビュー] Solid-state platform for cooperative quantum dynamics driven by correlated emission

Xin Li, Jamir Marino+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2023

Neural Networks and Reservoir ComputingComputer Science被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、スピン欠陥を有する強磁性体リザーバーを用いた固体状態プラットフォームを提案し、相関した散逸を介した協同的量子ダイナミクスを実現する。マグノンを介した散逸的相互作用を活用することで、空間的不規則性や熱揺らぎに対しても、NV中心における強力なスーパーラディアンスとサブラディアンスを示す。これは、スピントロニクスと量子光物理学を統合するスケーラブルな量子技術の基盤を築くものである。

ABSTRACT

While traditionally regarded as an obstacle to quantum coherence, recent breakthroughs in quantum optics have shown that the dissipative interaction of a qubit with its environment can be leveraged to protect quantum states and synthesize many-body entanglement. Inspired by this progress, here we set the stage for the -- yet uncharted -- exploration of analogous cooperative phenomena in hybrid solid-state platforms. We develop a comprehensive formalism for the quantum many-body dynamics of an ensemble of solid-state spin defects interacting with the magnetic field fluctuations of a common solid-state reservoir. Our framework applies to any solid-state reservoir whose fluctuating spin, pseudospin, or charge degrees of freedom generate magnetic fields. To understand whether correlations induced by dissipative processes can play a relevant role in a realistic experimental setup, we apply our model to a qubit array interacting via the spin fluctuations of a ferromagnetic bath. Our results show that the low-temperature collective relaxation rates of the qubit ensemble can display clear signatures of super- and subradiance, i.e., forms of cooperative dynamics traditionally achieved in atomic ensembles. We find that the solid-state analog of these cooperative phenomena is robust against spatial disorder in the qubit ensemble and thermal fluctuations of the magnetic reservoir, providing a route for their feasibility in near-term experiments. Our work lays the foundation for a multi-qubit approach to quantum sensing of solid-state systems and the direct generation of many-body entanglement in spin-defect ensembles. Furthermore, we discuss how the tunability of solid-state reservoirs opens up novel pathways for exploring cooperative phenomena in regimes beyond the reach of conventional quantum optics setups.

研究の動機と目的

• 共通の磁性体リザーバーを介した相関した散逸によって媒介される固体状態スピン系における協同的量子現象を調査すること。
• 強い局所的散逸によって coherent キャリブレーションが制限される量子ハイブリッドプラットフォームにおけるスケーラブルな2キュービットゲートの課題に取り組むこと。
• 従来光子系で研究済みの散逸的相関が、マグノンを用いて固体状態スピン系に活用可能かどうかを検討すること。
• 現実的な実験的条件下における空間的不規則性や熱揺らぎに対する協同的量子挙動の耐性を評価すること。
• スピントロニクスと量子光物理学を統合する基盤を築くために、固体状態プラットフォームにおける長距離散逸的相関を設計すること。

提案手法

• 共通の固体状態リザーバーの磁場揺らぎを介して相互作用するスピン欠陥の多体量子ダイナミクスの一般形式を構築した。
• 相関した散逸によって媒介される有効なキュービット-キュービット相互作用を定式化し、単一欠陥の量子センシングを、非局所的時間的および空間的相関センシングへと拡張した。
• 調整可能なスピン波分散とバンドギャップを有する強磁性薄膜リザーバーに結合したNV中心の系にモデルを適用した。
• Born-Markov近似と回転波近似を用いて、集団的緩和ダイナミクスを記述するマスター方程式を導出した。
• マスター方程式に従う密度行列の時間発展をシミュレートし、集団的崩壊率および2次相関関数を分析した。
• 有限温度効果を組み込むために、T = 100 mK でマスター方程式を数値的に解き、量子相関の熱的耐性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共通の磁性体リザーバーを介した相関した散逸によって、固体状態スピン系においてスーパーラディアンスやサブラディアンスといった協同的量子ダイナミクスが生じるか？
• RQ2 空間的不規則性や熱揺らぎは、このようなプラットフォームにおける協同的量子状態の安定性と観測可能性にどのように影響するか？
• RQ3 通常は有害とされる散逸的プロセスが、スピンキュービットアレイにおいて長距離もつれや非局所的相関を生成するためにどれほど活用可能か？
• RQ4 マグノンを介した散逸的相互作用は、従来の光子系リザーバーを超えた非ユニタリな多体ダイナミクスを可能にする役割を果たすか？
• RQ5 分散的多体系に構造的バースを有する系において、サブラディアンツーエクcitation状態のフェルミオン化は一般的な特徴であるか？

主な発見

• スピン欠陥の周波数がマグノンバンドギャップを上回る場合、強磁性体リザーバーに結合したNV中心の集合体において、スーパーラディアンスおよびサブラディアンスの集団的緩和率が出現する。
• 適切なパrameter領域において、集団的ダイナミクスの明確な兆候、すなわち増幅（スーパーラディアンス）および抑制（サブラディアンス）された崩壊率が観測される。
• サブラディアン状態は、2励起状態の多様体においてフェルミ統計を示し、構造的バースを有する分散的多体系の一般的な特徴であることを示している。
• スピン欠陥の位置における空間的不規則性に対しても、協同的量子挙動は安定であり、実験的不具合に対する耐性を示している。
• T = 100 mK での熱揺らぎは、多励起状態におけるフェルミ統計的相関を破壊し、時間経過とともに2次相関関数の減衰が観測された。
• このフレームワークにより、磁気ノイズの時間的および空間的相関の非局所的センシングが可能となり、単一欠陥測定を超えた量子センシングの範囲が拡張された。