[논문 리뷰] Coherence and entanglement of inherently long-lived spin pairs in diamond

H. P. Bartling, M. H. Abobeih외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 14.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 내 동일한 13C 핵 스핀 쌍이 시계 전이, 분산 방지 부분공간, 운동 좁힘의 조합으로 인해 본질적으로 장수하는 양자 시스템을 형성함을 보여준다. 근처에 있는 질소빈자리(NV) 중심을 이용해, 개별적으로 제어 가능한 스핀 쌍 큐비트의 기록적인 T₂* 동기화 시간 1.9(3)분을 달성하였으며, 사영 측정을 통해 고신뢰도 얽힘을 실현하였다.

ABSTRACT

Understanding and protecting the coherence of individual quantum systems is a central challenge in quantum science and technology. Over the last decades, a rich variety of methods to extend coherence have been developed. A complementary approach is to look for naturally occurring systems that are inherently protected against decoherence. Here, we show that pairs of identical nuclear spins in solids form intrinsically long-lived quantum systems. We study three carbon-13 pairs in diamond and realize high-fidelity measurements of their quantum states using a single NV center in their vicinity. We then reveal that the spin pairs are robust to external perturbations due to a unique combination of three phenomena: a clock transition, a decoherence-free subspace, and a variant on motional narrowing. The resulting inhomogeneous dephasing time is $T_2^* = 1.9(3)$ minutes, the longest reported for individually controlled qubits. Finally, we develop complete control and realize an entangled state between two spin-pair qubits through projective parity measurements. These long-lived qubits are abundantly present in diamond and other solids, and provide new opportunities for quantum sensing, quantum information processing, and quantum networks.

연구 동기 및 목표

• 고체 내 동일한 핵 스핀 쌍이 장수 동기화 시간을 갖는 본질적으로 보호된 양자 시스템으로 기능할 수 있는지 조사하기 위해.
• 기존의 이러한 스핀 쌍이 분산의 원인으로 여겨지는 관점을 뛰어넘어, 강건하고 개별적으로 제어 가능한 큐비트로의 잠재력을 입증하기 위해.
• 근처에 있는 NV 중심을 양자 센서 및 제어기로 사용하여, 스핀 쌍 가짜 스핀 상태의 고신뢰도 초기화, 제어, 읽기 작업을 수행하기 위해.
• 사영 측정을 통해 두 개의 스핀 쌍 큐비트 간의 얽힘을 실현하기 위해.
• 이러한 장수 큐비트가 다이아몬드 및 기타 고체에서 자연스럽게 풍부하게 존재함을 입증하여, 양자 기술 분야의 새로운 응용 가능성을 마련하기 위해.

제안 방법

• 연구는 3.7 K에서 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심을 사용하여, 세 가지 별개의 13C 핵 스핀 쌍(A, B, C)을 감지하고 제어하며, NV 중심의 장수 동기화와 광학적 주소 가능성을 활용한다.
• 스핀 쌍은 반대칭 부분공간(|↑↓⟩ 및 |↓↑⟩)에서 가짜 스핀으로 모델링되며, 동역학은 H = X·Iₓ + mₛZ·I_z의 해밀토니안으로 기술된다. 여기서 X는 두극자 결합, Z는 초미세분열 차이이다.
• 공명 π 펄스 시퀀스와 NV 스핀 측정을 통해 고신뢰도 상태 준비 및 측정이 이루어지며, 측정 중 분산을 피하기 위해 시간 조절이 최적화되어 있다.
• X ≫ Z 조건을 만족하는 쌍(A 및 B)의 경우, 자유 진동과 동적 분할을 통해 유니버설 단일 큐비트 제어를 실현한다. Z ≫ X 조건을 만족하는 쌍(C)의 경우, NV 스핀 상태에 의존하는 진동을 통해 제어를 수행한다 (mₛ = 0일 때 X-회전, mₛ = -1일 때 약간의 Z-회전).
• 대칭 및 반대칭 벨 상태를 구분하는 사영 측정을 통해 두 스핀 쌍 큐비트 간의 얽힘을 생성한다.
• 단일 스핀 전이에 대한 RF 드라이빙을 통해 쌍 C의 전체 힐베르트 공간에 접근하며, NV 결합이 극히 미미한 상태에서 개별 13C 스핀의 선택적 초기화 및 제어가 가능해진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드 내 동일한 핵 스핀 쌍이 내재된 보호 메커니즘으로 인해 본질적으로 장수하는 양자 시스템으로 기능할 수 있는가?
• RQ2 시계 전이, 분산 방지 부분공간, 운동 좁힘의 조합이 13C 스핀 쌍에서 위상 분산를 얼마나 효과적으로 억제하는가?
• RQ3 동일한 다이아몬드 샘플 내에서 단일 NV 중심이 다수의 13C 스핀 쌍 큐비트를 고신뢰도로 개별적으로 제어할 수 있는가?
• RQ4 환경 조건 하에서 이러한 스핀 쌍 큐비트의 최대 달성 가능한 동기화 시간은 얼마이며, 다른 고체 상태 큐비트와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ5 사영 측정을 통해 두 개의 이러한 장수 스핀 쌍 큐비트 간의 얽힘을 생성하고 검증하는 것이 가능한가?

주요 결과

• 13C 스핀 쌍의 비균일 위상 분산 시간 T₂*는 1.9(3)분에 이르며, 이는 어떤 고체 상태 시스템에서도 개별적으로 제어 가능한 큐비트로 보고된 바 중 가장 긴 수준이다.
• 시계 전이, 분산 방지 부분공간, 운동 좁힘의 변형이 동시에 존재함으로써 스핀 쌍은 외부 자극에 대해 강건함을 보였다.
• NV 중심을 이용한 반복적인 사영 측정을 통해 가짜 스핀 상태의 고신뢰도 초기화 및 읽기 작업이 이루어졌으며, NV 측정 시간은 약 ~5 μs로 최소화되었다.
• 사영 측정을 통해 두 스핀 쌍 큐비트 간의 얽힘이 성공적으로 생성되었으며, 다수의 장수 큐비트에 대한 확장 가능한 양자 제어를 실현하였다.
• RF 드라이빙을 통해 단일 스핀 전이에 대한 조절을 통해 13C 쌍의 전체 힐베르트 공간(대칭 상태 포함)에 접근할 수 있었으며, NV 결합이 극히 미미한 상태에서 개별 13C 스핀의 선택적 제어가 가능했다.
• 측정된 초미세결합 강도(A∥^(1) = 2π·2826(5) Hz 및 A∥^(2) = 2π·18(7) Hz)는 13C-13C 쌍에 해당함을 확인하며, 관측된 신호의 기원을 확인하였다.