[논문 리뷰] Decoherence-protected transitions of nitrogen vacancy centers in 99% 13C-enriched diamond

Anna J. Parker, Haijing Wang외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 17.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 99% ¹³C 농축 다이아몬드 내의 질소 비공석(NV⁻) 중심에서 초화합력 상호작용을 활용하여 자기장 노이즈를 억제함으로써 디코herence-보호 전이(DPTs)를 입증한다. 550–900 G의 자기장에서 이러한 전이는 표준 전자 전이 대비 약 ~130배로 라인폭이 좁혀져 실온에서 강력한 양자 공명을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Nitrogen vacancy (NV-) color centers in diamond are a prime candidate for use in quantum information devices, owing to their spin-1 ground state, straightforward optical initialization and readout, and long intrinsic coherence times in a room-temperature solid. While the 13C nuclear spin is often a dominant source of magnetic noise, we observe transitions between electron-nuclear hyperfine states of NV- centers in 99% 13C diamond that are robust to decoherence. At magnetic field strengths ranging from 550 - 900 G, these transitions are observable by optically detected magnetic resonance (ODMR), and exhibit linewidths narrowed by factors as high as ~130 at room temperature over typical electron-type transitions observed from this spin system. We anticipate the use of these decoherence-protected transitions, in combination with dynamical decoupling methods, for storage of quantum information.

연구 동기 및 목표

• 초화합력 상호작용으로 인해 자연스럽게 디코herence로부터 보호되는 NV⁻ 중심의 전이를 특정하고 특성화하는 것.
• 다이아몬드 내에서 주요 자기장 노이즈 원천으로 작용하는 ¹³C 핵 스핀의 역할과 그에 대한 내재된 스핀 수준 구조에 의한 완화 전략을 조사하는 것.
• 99% ¹³C 농축 다이아몬드 내에서 DPTs가 실온에서 상당히 향상된 공명을 보임을 실험적으로 입증하는 것.
• DPTs를 다이내믹 디커플링과 조합하여 장수명 양자 정보 저장을 위한 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• 연속파 레이저와 마이크로파 조사 방식을 사용하여 광학적으로 탐지된 자기공명(ODMR)을 통해 NV⁻ 중심의 스핀 전이를 탐측하였다.
• 532 nm 레이저(4 kW/cm² 강도)와 단일 광자 카운팅을 이용한 공집속 현미경 설정을 통해 스핀 의존성 발광을 검출하였다.
• 마이크로파 주파수는 웨이브폼 생성기로 공급되며, 마이크로파 스위치를 통해 전환되고, 광대역 마이크로파 루프를 통해 증폭된 후 공급되었다.
• 네오디뮴 자석을 기구에 장착하여 1175 G 이하의 자기장을 가하고, NV 축에 대한 자기장 방향을 제어하였다.
• 반대면에 임플랜트된 NV⁻ 집합체를 사용하여 자기장 정렬을 校정하였으며, 오차는 ±2 G로 추정되었다.
• 스펙트럼는 매 주파수당 2000회 반복 평균을 취하고, 광학 재초기화 상태로 정규화된 발광을 기반으로 획득되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 99% ¹³C 농축 다이아몬드 내의 NV⁻ 중심에서 ¹³C 핵 스핀 존재에도 불구하고 디코herence로부터 보호되는 전이가 가능할 수 있는가?
• RQ2 어느 정도의 자기장 강도에서 디코herence-보호 전이(DPTs)가 상당히 좁은 라인폭을 보이며 관측될 수 있는가?
• RQ3 실온에서 동일한 시스템 내 DPT의 라인폭은 표준 전자 스핀 전이와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 자기장 변동과 핵 스핀 노이즈가 존재하는 조건에서 DPT는 어느 정도의 공명을 유지하는가?
• RQ5 다이내믹 디커플링과 조합할 경우 DPT는 견고한 양자 정보 저장 플랫폼으로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 550 G에서 900 G 사이의 자기장에서 99% ¹³C 농축 다이아몬드 내 NV⁻ 중심에서 디코herence-보호 전이(DPTs)가 관측되었다.
• 이 DPTs는 실온에서 표준 전자 유형 전이 대비 최대 약 ~130배 좁은 라인폭을 보였다.
• DPTs는 효과적인 감마비율이 낮아 자기장 변동에 대해 강건하여 국소 자기장 노이즈에 대한 민감도가 감소하였다.
• 관측된 라인폭은 수준 반대치점 근처의 제로 제1차 제이젠(ZEROZ) 전이에 대한 이론적 예측과 일치하였다.
• 자기장 정렬 오차는 ±2 G로 추정되었으며, 임플랜트된 NV⁻ 집합체로부터 유래한 추가 불확도 0.05 G도 DPT 해상도에 비해 무시할 만큼 작았다.
• 결과적으로 DPTs가 ¹³C 농축 다이아몬드에서 실온에서 장수명 양자 공명을 위한 실현 가능한 길을 제공한다는 것이 입증되었다.