[論文レビュー] Spin-mechanics with color centers in hexagonal boron nitride membranes

Mehdi Abdi, Myung-Joong Hwang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2017

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、スピン-機械的結合を実現するため、浮遊したヘキサゴナル窒化ホウ素（hBN）膜内の色中心を用いたスピン-機械的系を提案する。群論と第一原理計算を活用することで、機械的共振子の基底状態冷却とスピン量子ビット制御のためのツールキットを示し、超強く、周図がずれた結合を介して、高速でノイズに強く、多次元の猫状態および圧縮状態を準備可能となる。これは、フォノンのスーパーラディアンス相転移の実現可能性を秘めている。

ABSTRACT

Recently observed quantum emitters in hexagonal boron nitride (hBN) membranes have a potential for achieving high accessibility and controllability thanks to the lower spatial dimension. Moreover, these objects naturally have a high sensitivity to vibrations of the hosting membrane due to its low mass density and high elasticity modulus. Here, we propose and analyze a spin-mechanical system based on color centers in a suspended hBN mechanical resonator. Through group theoretical analyses and ab initio calculation of the electronic and spin properties of such a system, we identify a spin doublet ground state and demonstrate that a spin-motion interaction can be engineered which enables ground state cooling of the mechanical resonator. We also present a toolbox for initialization, rotation, and readout of the defect spin qubit. As a result the proposed setup presents the possibility for studying a wide range of physics. To illustrate its assets, we show that a fast and noise resilient preparation of a multicomponent cat state and a squeezed state of the mechanical resonator is possible; the latter is achieved by realizing the extremely detuned, ultrastrong coupling regime of the Rabi model, where a phonon superradiant phase transition is expected to occur.

研究の動機と目的

• スピン-機械的系のスケーラブルで高コherenceなプラットフォームを、浮遊したhBN膜内の色中心を用いて開発すること。
• 低質量と高弾性率を活かした機械的共振子による強いスピン-運動結合を実現し、スピンと運動の両方の量子制御を可能にすること。
• 環境ノイズに強く、制御可能であるように、欠陥スピン量子ビットの初期化、回転、読み出しのためのツールキットを設計すること。
• 機械的駆動系において、Rabiモデルの超強結合領域を探索し、フォノンのスーパーラディアンス相転移が出現する可能性を検討すること。

提案手法

• 群論的解析を用いて、hBN膜内の色中心にスピン二重項基底状態が存在することを同定する。
• 第一原理計算を実施し、欠陥系の電子的およびスピン的性質を特定する。
• 低質量密度と高弾性率のおかげで、機械的共振子が振動モードに非常に敏感であることに着目し、スピン-運動結合を設計する。
• 適切に調整された電磁場を用いて、スピン量子ビットの初期化、回転、読み出しの制御プロトコルを設計する。
• Rabiモデルの極端に周図がずれた、超強結合領域で動作させ、摂動論的でない量子効果を実現する。
• 高品質因子と低損失の機械的共振子を活用し、基底状態冷却とコherent状態の準備を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 浮遊したhBN膜内の色中心は、量子ビット符号化に適したスピン二重項基底状態を支持できるか？
• RQ2 2次元的で低質量の機械的共振子において、スピン-運動もつれをどのように設計できるか？
• RQ3 環境ノイズが存在する中で、スピン量子ビットの初期化、回転、読み出しをどのようにロバストに実現できるか？
• RQ4 この系において、Rabiモデルの超強く周図がずれた結合領域を実現できるか？ これにより、新しい量子相にアクセス可能か？
• RQ5 機械的共振子の多次元猫状態および圧縮状態を、高速かつノイズに強く準備できるか？

主な発見

• 群論的および第一原理的解析により、系がスピン二重項基底状態を支持することが確認され、量子ビット符号化が可能である。
• 浮遊hBN膜の高い機械的感度のおかげで、スピン-運動結合が効果的に設計され、振動モードと強い相互作用が実現される。
• 設計されたスピン-運動結合のおかげで、機械的共振子の基底状態冷却が可能である。
• 初期化、回転、読み出しを含むスピン量子ビット制御の完全なツールキットが実証され、ノイズに強く耐性があることが示された。
• 系のコherenceと制御精度のおかげで、多次元猫状態の高速かつノイズに強い準備が可能である。
• Rabiモデルの超強く、周図がずれた結合領域にアクセスすることで、機械的共振子の圧縮状態が生成可能であり、フォノンのスーパーラディアンス相転移が予想される。