[논문 리뷰] Coherent Control of Spins with Gaussian Acoustics

Samuel J. Whiteley, Gary Wolfowicz외 12명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 29.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 32인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 카바이드에서 다이바캔시 결함 스핀 큐비트의 보편적이고 일관된 제어를 위해 가우시안 표면 음향파를 사용함으로써, 비틀림 및 종방향 기계 모드를 활용해 스핀 전이를 유도한다. 이는 오토러-타운즈 분할, 라비 진동 및 기계적 파aramagnetic 공명의 직접적 광학 검출을 달성하여 스핀 상태에 대한 완전한 기계적 제어를 가능하게 하며, 양자 나노기계 통합 잠재력을 지닌다.

ABSTRACT

Hybrid quantum systems combine the advantages of dissimilar quantum degrees of freedom to solve challenges of communicating between disparate quantum states. Silicon carbide (SiC) is an exemplary platform for hybrid spin-mechanical systems, providing long-lived spin registers within optically-active defects, wafer-scale availability, and low acoustic losses. Past demonstrations of spin-mechanical coupling have used uniaxial strain to drive magnetically forbidden spin transitions. With a Gaussian surface acoustic wave resonator, here we show universal control of divacancy spin qubits using all mechanical degrees of freedom, especially shear. We demonstrate Autler-Townes splitting, coherent mechanically driven Rabi oscillations, and direct optical observation of acoustic paramagnetic resonance. This work expands the versatility of mechanically driven spins and shows promise towards integrating spins with quantum nanomechanical systems.

연구 동기 및 목표

• 기계적 자유도를 활용해 실리콘 카바이드에서 스핀 큐비트의 보편적 제어를 달성하기 위해.
• 자기적으로 금지된 스핀 전이를 자극하는 데 있어 축방향 응력의 한계를 극복하기 위해.
• 특히 비틀림 모드를 포함해 스핀 큐비트와 다수의 기계 모드 간의 일관된 결합을 입증하기 위해.
• 양자 센싱 및 제어를 위한 기계적으로 구동되는 스핀 전이의 광학적 검출을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 실리콘 카바이드에서 맞춤형 기계 모드를 생성하기 위해 가우시안 표면 음향파 공진기를 활용함.
• 다이바캔시 결함에서 스핀 전이를 일관되게 구동하기 위해 비틀림 및 종방향 음향 모드를 활용함.
• 스핀 동역학을 탐사하고 파aramagnetic 공명을 검출하기 위해 마이크로파 및 광학 기법을 구현함.
• 기계적 결합을 스핀 상태에 해석하기 위해 오토러-타운즈 분광법을 사용함.
• 광학 읽기 기반 실시간 모니터링을 통해 라비 진동을 확인함으로써 일관된 제어를 확인함.
• 실리콘 카바이드의 낮은 음향 손실 및 웨이퍼 스케일 적합성을 활용해 확장 가능한 양자 시스템을 구현함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가우시안 표면 음향파는 축방향 응력을 초월해 실리콘 카바이드에서 스핀 큐비트의 일관된 제어를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 비틀림 및 종방향 기계 모드가 자기적으로 금지된 스핀 전이를 어느 정도 효과적으로 유도할 수 있는가?
• RQ3 스핀-기계 시스템에서 기계적 파aramagnetic 공명을 직접적으로 광학적으로 관측할 수 있는가?
• RQ4 이 플랫폼에서 기계적으로 유도된 라비 진동의 일관성과 정밀도는 어떠한가?
• RQ5 이 접근법은 하이브리드 양자 나노기계 시스템에 대해 얼마나 확장 가능하고 통합 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 오토러-타운즈 분할이 관측되어 스핀 큐비트와 기계 모드 간의 일관된 결합을 확인함.
• 기계적으로 유도된 일관된 라비 진동이 입증되어 스핀 상태의 고정밀 제어를 나타냄.
• 기계적으로 유도된 파aramagnetic 공명의 직접적 광학 관측을 달성하여 기계적 구동 메커니즘을 검증함.
• 비틀림 기계 모드가 스핀 전이를 효과적으로 유도함을 입증하여 제어 가능 범위를 확장함.
• 시스템은 낮은 음향 손실과 긴 스핀 일관성을 보이며 안정적인 양자 연산을 가능하게 함.
• 비틀림 기계 모드를 포함한 모든 기계 자유도를 활용해 스핀 큐비트의 보편적 제어를 실현함으로써 시스템의 다양성 향상