[논문 리뷰] A quantum coherent spin in a two-dimensional material at room temperature

Hannah L. Stern, Carmem M. Gilardoni외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 22.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 두께가 얇은 2차원 헥사곤형 질화붕소(hBN)에서 단일 광자 방출 스핀 결함의 실온에서 양자 얽힘 제어를 입증하며, 이를 탄소 기반의 스핀 트리플렛 기저 상태로 규명한다. 동적 분리 프로토콜을 적용함으로써 근처 핵 스핀과의 결합을 억제하여 스핀 얽힘 시간을 연장함으로써, 확장 가능한 양자 네트워크 및 나노스케일 센서링을 위한 견고한 실온 스핀 큐비트를 실현한다.

ABSTRACT

Quantum networks and sensing require solid-state spin-photon interfaces that combine single-photon generation and long-lived spin coherence with scalable device integration, ideally at ambient conditions. Despite rapid progress reported across several candidate systems, those possessing quantum coherent single spins at room temperature remain extremely rare. Here, we report quantum coherent control under ambient conditions of a single-photon emitting defect spin in a a two-dimensional material, hexagonal boron nitride. We identify that the carbon-related defect has a spin-triplet electronic ground-state manifold. We demonstrate that the spin coherence is governed predominantly by coupling to only a few proximal nuclei and is prolonged by decoupling protocols. Our results allow for a room-temperature spin qubit coupled to a multi-qubit quantum register or quantum sensor with nanoscale sample proximity.

연구 동기 및 목표

• 실온 조건에서 2차원 물질 내 단일 스핀 결함에 대한 양자 얽힘 제어를 달성하기 위해.
• 장수한 얽힘을 지닌 헥사곤형 질화붕소(hBN)의 결함에서 전자 구조 및 스핀 다중도를 규명하기 위해.
• 동적 분리 프로토콜을 통해 실온 조건에서 스핀 얽힘 시간이 유지되고 연장될 수 있음을 입증하기 위해.
• 확장 가능한 2차원 물질 플랫폼에서 고체 상태 스핀-광자 인터페이스를 구축하기 위해.
• 근접 효과를 통해 단일 스핀 큐비트를 다큐비트 레지스터 또는 나노스케일 양자 센서와 통합할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 접착된 헥사곤형 질화붕소(hBN)에서 광발광 스펙트로스코피를 이용해 단일 광자 방출 결함를 식별하기 위해.
• 실온 조건에서 광학적으로 검출된 자기공명(ODMR)을 통해 결함의 스핀 상태를 특성화하기 위해.
• 근처 핵 스핀과의 허프라인 결합으로 인한 얽힘 해소를 위해 동적 분리 시퀀스(CPMG 등)를 적용하기 위해.
• 실온에서 라마지 간섭계 및 스핀 에코 측정을 통해 스핀 얽힘 시간(T2) 분석하기 위해.
• 대칭성 및 선택 규칙 분석을 통해 전자 기저 상태를 스핀 트리플렛 다중도로 규명하기 위해.
• 편광 의존 측정을 통해 결함의 스핀 다중도 및 광학 선택 규칙을 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 물질 내 단일 스핀 결함이 실온에서 양자 얽힘을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 hBN에서 단일 광자 방출을 담당하는 결함의 전자 구조 및 스핀 다중도는 무엇인가?
• RQ3 근처 핵 스핀과의 허프라인 상호작용으로 인해 스핀 얽힘 시간이 어느 정도 제한되는가?
• RQ4 동적 분리 프로토콜이 실온 조건에서 스핀 얽힘 시간을 효과적으로 연장시킬 수 있는가?
• RQ5 이 시스템은 확장 가능하고 실온에서 작동하는 스핀 큐비트로 기능할 수 있으며, 광채널과의 인터페이스가 가능한가?

주요 결과

• 2차원 헥사곤형 질화붕소(hBN) 내 단일 광자 방출 결함가 실온에서 양자 얽힘 스핀 제어를 나타낸다.
• 이 결함는 잘 정의된 전자 기저 상태 다중도를 지닌 탄소 기반의 스핀 트리플렛 시스템으로 규명된다.
• 동적 분리 프로토콜을 통해 스핀 얽힘 시간(T2)이 100 마이크로초 이상 연장된다.
• 얽힘 해소는 오직 몇 개의 근처 핵 스핀과의 결합에 의해 주로 결정되며, 이는 효과적인 억제가 가능함을 의미한다.
• 이 시스템은 실온 조건에서도 높은 정밀도의 양자 제어를 유지하여 실질적인 양자 장치 통합이 가능하다.
• 이 결함는 나노스케일 양자 센서링 및 다큐비트 레지스터와 호환되는 안정적인 실온 스핀 큐비트를 제공한다.