[논문 리뷰] A diamond nanophotonic interface with an optically accessible deterministic electronuclear spin register

Ryan A. Parker, Jesús Arjona Martínez외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 30.

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 광섬유에 패ck된 나노광학 다이아몬드 파이프웨이브를 제시하며, 결정적으로 접근 가능한 117Sn 핵 스핀을 지닌 SnV 중심을 포함하고 있어, 452(7) MHz의 초임계 분리로 고정밀 광학 초기화 및 단일 스타일 읽기 가능성을 제공한다. 파이프웨이브에서 광섬유로의 에너지 전달 효율은 57(6)%이며, 광학적 핵 스핀 초기화의 정확도는 98.6(3)%로 측정되었으며, 이는 스케일러블한 양자 노드로서 광학 양자 네트워크에 적합한 스핀-게이팅 단일광자 비선형성을 실현하였다. 이는 11(1)%의 대비를 보이며 외부 자기장이 없는 조건에서도 성립한다.

ABSTRACT

A contemporary challenge for the scalability of quantum networks is developing quantum nodes with simultaneous high photonic efficiency and long-lived qubits. Here, we present a fibre-packaged nanophotonic diamond waveguide hosting a tin-vacancy centre with a spin-1/2 $^{117}$Sn nucleus. The interaction between the electronic and nuclear spins results in a signature 452(7) MHz hyperfine splitting. This exceeds the natural optical linewidth by a factor of 16, enabling direct optical nuclear-spin initialisation with 98.6(3)% fidelity and single-shot readout with 80(1)% fidelity. The waveguide-to-fibre extraction efficiency of our device of 57(6)% enables the practical detection of 5-photon events. Combining the photonic performance with the optically initialised nuclear spin, we demonstrate a spin-gated single-photon nonlinearity with 11(1)% contrast in the absence of an external magnetic field. These capabilities position our nanophotonic interface as a versatile quantum node in the pursuit of scalable quantum networks.

연구 동기 및 목표

• 양자 네트워크를 위한 고광학 효율성과 장수명 큐비트를 지닌 스케일러블한 양자 노드를 개발하기 위해.
• 기존 플랫폼인 양자점과 NV 중심에서 관찰되는 광학 효율성과 스핀 공명 간의 상충 관계를 극복하기 위해.
• 4족 계열 착색 중심에서 초임계 결합을 통해 핵 스핀 레지스터에 결정적으로 접근 가능하게 하기 위해.
• 고효율 광학 파이프웨이브와 단일 SnV 중심을 통합하여 실용적인 섬유 기반 양자 인터페이스를 구현하기 위해.
• 작고 패키징된 장치에서 광학 초기화, 단일 스타일 읽기 및 스핀-게이팅 비선형 광학을 실현하기 위해.

제안 방법

• 결정적으로 존재하는 117Sn 핵 스핀을 지닌 SnV 중심을 생성하기 위해 이소토ropic 필터링을 적용한 117Sn 이온 주입을 통해 다이아몬드에 도핑하는 것.
• 준등방성 에칭과 고온 안일링을 이용한 블록 다이아몬드에서 나노광학 파이프웨이브를 제작하는 것.
• 단일 모드 광섬유를 아디아바틱 타이밍하여 파이프웨이브로의 효율적인 비례기반 결합을 달성하는 것.
• 전자-핵 스핀 시스템의 정밀 광학 제어를 위해 조절 가능한 619 nm 공진 레이저 소스와 전기광학 변조를 사용하는 것.
• 주기적인 CORE 스캔과 실시간 레이저 데티uning 재조정을 통한 활성 스펙트럼 이격 보정을 시행하는 것.
• 단일 광자 방출과 스핀 공명을 확인하기 위해 공진 광발광 자극(PLE) 및 이阶 자기상관 측정을 수행하는 것.

Figure 1: A nanophotonic quantum device hosting an electronuclear spin register. (a) Microscope photograph of the packaged device. A UV-cured optical adhesive permanently fixes the tapered fibre after it is contacted onto a diamond microchiplet. (b) Experimental setup. We excite the emitter near res

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노광학 다이아몬드 파이프웨이브가 스케일러블한 양자 네트워킹을 위한 결정적으로 접근 가능한 117Sn 핵 스핀을 지닌 SnV 중심을 수용할 수 있는가?
• RQ2 전자와 117Sn 핵 스핀 간의 초임계 분리가 해상되고, 광학 초기화 및 읽기 가능성을 활용할 수 있는가?
• RQ3 광섬유 패키징된 파이프웨이브가 고효율 에너지 전달을 통해 다중 광자 이벤트의 실용적 탐지가 가능한가?
• RQ4 외부 자기장 없이도 스핀-게이팅 단일광자 비선형성이 입증될 수 있는가?
• RQ5 착색 중심에서 흔히 발생하는 스펙트럼 이격 조건에서도 고정밀 양자 연산이 유지되는가?

주요 결과

• 117Sn 핵 스핀은 452(7) MHz의 초임계 분리로 광학적으로 접근 가능하며, 이는 광학 스펙트럼 폭보다 16배 높다.
• 광학 초기화의 정확도는 광학 스펙트럼 폭 대비 큰 초임계 분리 덕분에 98.6(3)%에 도달한다.
• 공진 광방출 탐지 방법을 사용하여 단일 스타일 핵 스핀 읽기 정확도는 80(1)%에 도달한다.
• 파이프웨이브에서 광섬유로의 에너지 전달 효율은 57(6)%로 측정되었으며, 이는 최대 다섯 개의 연속 광자를 실용적으로 탐지할 수 있도록 한다.
• 외부 자기장이 없는 조건에서 스핀-게이팅 단일광자 비선형성이 11(1)%의 대비로 입증되었다.
• 주기적인 CORE 스캔과 실시간 레이저 재조정을 통한 활성 스펙트럼 이격 보정을 통해 고정밀 양자 연산이 유지된다.

Figure 2: Accessing the 117 SnV electronuclear spin manifold. (a) Repeated CORE scans as a function of magnetic field along the [111] axis. The magnetic field is varied from 0 mT to 147 mT in steps of 4.3 mT. (b) Hyperfine splitting of the optical transitions at $\bm{B}=\bm{0}$ for multiple emitters