[논문 리뷰] A Quantum Repeater Platform based on Single SiV$^-$ Centers in Diamond with Cavity-Assisted, All-Optical Spin Access and Fast Coherent Driving

Gregor Bayer, Robert Berghaus외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 28.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 나노다이아몬드 내 단일 실리콘빈자리(ScV⁻) 중심을 갖는 반구형 파이어-페로트 마이크로레이저에 결합된 피사체 안정성 있는 양자 반복기 플랫폼을 제시한다. 이 플랫폼은 290 MHz의 라비 주파수로 모든 광학적, 공명적인 스핀 제어를 실현하며, 67 ns 내에 80%의 정밀도로 스핀 초기화를 수행하고 풀리팩터(Purcell factor)는 1.61을 기록하여 액체 헬륨 온도에서 효율적인 스핀-광자 인터페이스를 가능하게 하여 확장 가능한 양자 네트워크를 실현한다.

ABSTRACT

Quantum key distribution enables secure communication based on the principles of quantum mechanics. The distance in fiber-based quantum communication is limited to about a hundred kilometers due to signal attenuation. Thus, quantum repeaters are required to establish large-scale quantum networks. Ideal quantum repeater nodes possess a quantum memory which is efficiently connected to photons, the carrier of quantum information. Color centers in diamond and, in particular, the negatively-charged silicon-vacancy centers are promising candidates to establish such nodes. The major obstacle is an inefficient connection between the color centers spin to the Gaussian optics of fiber networks. Here, we present an efficient spin-photon interface. Individual silicon-vacancy centers coupled to the mode of a hemispherical Fabry-Pérot microcavity show Purcell-factors larger than 1 when operated in a bath of liquid Helium. We demonstrate coherent optical driving with a Rabi frequency of $290\,\mathrm{MHz}$ and all-optical access to the electron spin in strong magnetic fields of up to $3.2\,\mathrm{T}$. Spin initialization within $67\,\mathrm{ns}$ with a fidelity of $80\,\%$ and a lifetime of $350\,\mathrm{ns}$ are reached inside the cavity. The spin-photon interface is passively stable, enabled by placing a color center containing nanodiamond in the hemispherical Fabry-Pérot mirror structure and by choosing short cavity lengths. Therefore, our demonstration opens the way to realize quantum repeater applications.

연구 동기 및 목표

• 다이아몬드 내 색심플을 이용한 안정적이고 효율적인 스핀-광자 인터페이스를 개발하여 양자 반복기 노드를 구현한다.
• 다이아몬드 내에서 효율이 떨어지는 빛-물질 상호작용 문제를 해결하기 위해 SiV⁻ 중심을 마이크로레이저에 결합하여 풀리팩터 증강을 실현한다.
• 강한 자기장(최대 3.2 T) 환경에서도 고정밀도 양자 연산을 위해 빠르고 모든 광학적 스핀 초기화 및 공명 구동을 가능하게 한다.
• 단기 공명성과 고정밀도를 확보하기 위해 나노다이아몬드를 짧고 고정밀도 공진기로 통합하여 수동적 안정성을 확보한다.
• 섬유 기반 양자 네트워크와의 호환성을 확보하기 위해 가우시안 모드 프로파일을 일치시키고 고효율 광자 수확을 가능하게 한다.

제안 방법

• 반구형 파이어-페로트 마이크로레이저의 모드에 나노다이아몬드 내 단일 SiV⁻ 중심을 결합하여 빛-물질 상호작용을 증강한다.
• 조절 가능한 레이저를 사용해 SiV⁻ 광학 전이를 공명적으로 구동하며, 290 MHz의 라비 주파수를 달 đạt한다.
• 67 ns 펄스를 사용한 광학 펌핑을 통한 모든 광학적 스핀 초기화를 구현하며, 80%의 정밀도를 확보한다.
• 공명 조명 조건 하에서 형광 감쇠를 측정하여 스핀 수명(T₁spin)을 측정하며, 3.2 T 자기장에서 350 ns의 값을 기록한다.
• 짧은 길이와 고정밀도를 가진 공진기를 사용해 수동적 안정성 확보 및 효율적인 광자 추출을 실현한다.
• 액체 헬륨 욕을 사용해 저온 작동 조건을 유지하면서, 나노다이아몬드 내 국소 진동수 밀도 상태 설계를 통해 수Few K 온도에서도 작동 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정밀도 및 고속 공명 구동이 가능한 SiV⁻ 중심을 갖는 다이아몬드에서 캐비티 보조 모든 광학적 스핀-광자 인터페이스를 실현할 수 있는가?
• RQ2 마이크로레이저를 사용한 고자기장 환경에서의 실현 가능한 풀리팩터와 스핀 수명은 얼마인가?
• RQ3 짧은 파이어-페로트 공진기 내 나노다이아몬드 통합을 통해 SiV⁻-다이아몬드 양자 반복기 노드에서 수동적 안정성을 확보할 수 있는가?
• RQ4 강한 자기장 환경에서 고정밀도 및 100 ns 이내의 타이밍으로 모든 광학적 스핀 초기화를 얼마나 높은 수준까지 실현할 수 있는가?
• RQ5 공진기의 고정밀도 향상과 산란 손실 감소에 따라 시스템 성능는 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• 시스템은 SiV⁻ 전이에 대해 290 MHz의 라비 주파수를 달성하여 강한 빛-물질 결합을 나타낸다.
• 풀리팩터는 최소 하한값으로 1.61로 측정되었으며, 공진기 모드로의 자발적 방출이 증강됨을 입증한다.
• 67 ns 내에 80% 정밀도로 스핀 초기화를 실현하여 양자 반복기 운영을 위한 고속 초기화 사이클을 가능하게 한다.
• 3.2 T 자기장에서 전자 스핀 수명(T₁spin)은 350 ns로 측정되었으며, 자기장 불일치 및 스트레인으로 인해 제한된다.
• 강한 자기장 환경에서도 모든 광학적 접근이 가능하며, 마이크로파 제어가 필요 없이 SiV⁻ 전자 스핀에 접근할 수 있다.
• 이론적 예측에 따르면 공진기 고정밀도(F = 10,000–50,000) 향상 시 광자 추출 효율이 69–90%에 도달하고 풀리팩터는 3–12 이상으로 증가하여 더 넓은 대역폭과 더 긴 메모리 공명 수명을 실현할 수 있다.