[論文レビュー] The silicon vacancy centers in SiC: determination of intrinsic spin dynamics for integrated quantum photonics

Di Liu, Florian Kaiser+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2023

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、4H-SiCにおける負に帯電したケイ素バッド（V_Si⁻）中心の内在的スピンダイナミクスを、intersystem crossingおよびdeshelvingメカニズムを含む詳細な電子的微細構造モデリングによって特定した。スピン選択的放射および非放射性崩壊率の測定により、統合量子フォトニクス素子の最適化設計が可能となり、既存のナノフォトニクスキャビティを用いて、3光子GHZおよびクラスタ状態が現実的に生成可能であることを示した。

ABSTRACT

The negatively-charged silicon vacancy center ($ m V_{Si}^-$) in silicon carbide (SiC) is an emerging color center for quantum technology covering quantum sensing, communication, and computing. Yet, limited information currently available on the internal spin-optical dynamics of these color centers prevents us achieving the optimal operation conditions and reaching the maximum performance especially when integrated within quantum photonics. Here, we establish all the relevant intrinsic spin dynamics of negatively charged $ m V_{Si}^-$ center in 4H-SiC by an in-depth electronic fine structure modeling including intersystem-crossing and deshelving mechanisms. With carefully designed spin-dependent measurements, we obtain all previously unknown spin-selective radiative and non-radiative decay rates. To showcase the relevance of our work for integrated quantum photonics, we use the obtained rates to propose a realistic implementation of time-bin entangled multi-photon GHZ and cluster state generation. We find that up to 3-photon GHZ/cluster states are readily within reach using the existing nanophotonic cavity technology.

研究の動機と目的

• 4H-SiCにおけるV_Si⁻中心の内在的スピン光学的ダイナミクスを解明すること。これは、量子技術分野における応用可能性は高いが、依然として理解が不十分な分野である。
• V_Si⁻中心におけるスピン選択的放射および非放射性崩壊率を特定・定量すること。これらは量子デバイス性能の最適化に不可欠である。
• 実験的根拠に基づくパrameterを提供することで、V_Si⁻中心の量子フォトニクス回路への実用的統合を可能にすること。
• V_Si⁻中心を用いたナノフォトニクスキャビティ内での時間ビンもつれ多光子GHZおよびクラスタ状態の生成可能性を実証すること。
• スピンダイナミクスにおける長年の制限要因を解消することで、SiC色中心を用いたスケーラブルでオンチップ型の量子フォトニクスの基盤を構築すること。

提案手法

• 4H-SiCにおけるV_Si⁻中心の電子的微細構造モデリングを実施し、intersystem crossingおよびdeshelving経路を含めた。
• スピン依存の光学測定を慎重に設計し、スピン選択的放射および非放射性崩壊率を抽出した。
• 測定された崩壊率を用いて、時間ビンもつれ多光子状態生成の性能をシミュレーションおよび評価した。
• 既存のナノフォトニクスキャビティ技術を活用し、量子フォトニクス回路への実用的統合シナリオをモデル化した。
• 量子光学モデリングを適用し、最大3光子のGHZおよびクラスタ状態生成の可能性を評価した。
• 理論的予測を実験データと照合することで、抽出されたスピンダイナミクスパrameterの正確性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4H-SiCにおけるV_Si⁻中心の完全な内在的スピンダイナミクス（intersystem crossingおよびdeshelvingを含む）は何か？
• RQ2 V_Si⁻中心のスピン選択的放射および非放射性崩壊率は何か？ そして、これらは量子状態準備にどのように影響するか？
• RQ3 測定されたスピンダイナミクスは、統合フォトニクスプラットフォームにおける時間ビンもつれ多光子状態の効率的生成にどのように利用可能か？
• RQ4 既存のナノフォトニクスキャビティ技術は、V_Si⁻中心を用いた多光子もつれ状態の生成をどの程度サポートできるか？
• RQ5 現実的な統合フォトニクス条件下で、SiCにおけるV_Si⁻中心を用いて、最大何光子のコherentもつれ状態を生成できるか？

主な発見

• 本研究では、4H-SiCにおけるV_Si⁻中心のすべてのスピン選択的放射および非放射性崩壊率が実験的に特定され、以前に未知であったダイナミクスが解明された。
• intersystem crossingおよびdeshelvingメカニズムが、V_Si⁻中心のスピン緩和および光学的性質に影響を与える主要な経路であることが同定された。
• 測定されたスピンダイナミクスにより、統合フォトニクス回路における時間ビンもつれ多光子状態生成の現実的設計が可能となった。
• 既存のナノフォトニクスキャビティ技術を用いて、高精度で最大3光子のGHZおよびクラスタ状態を生成可能である。
• 本研究の結果は、センシング、通信、計算応用分野におけるV_Si⁻ベースの量子デバイス最適化の定量的基盤を提供した。
• 本研究は、スピンダイナミクスにおける重要な知識ギャップを埋めることで、SiC色中心を用いたスケーラブルでオンチップ型の量子フォトニクスへの道筋を確立した。