[논문 리뷰] Engineering Phonon-Qubit Interactions using Phononic Crystals

Kazuhiro Kuruma, Benjamin Pingault외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 10.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 내의 진동수 결정이 음파 밀도 상태를 설계하여 유해한 음파-큐비트 상호작용을 억제할 수 있음을 보여준다. 50–70 GHz 범위의 완전한 음파 밴드 갭을 만들어내면서, 저자들은 4 K에서 실리콘-빈약 색심핵의 음파 유도 궤도 이완률을 18배 감소시켰다. 이는 더 높은 온도에서 양자 메모리 작동을 가능하게 하고, 음파 기반 양자 정보 처리를 위한 길을 열어준다.

ABSTRACT

The ability to control phonons in solids is key for diverse quantum applications, ranging from quantum information processing to sensing. Often, phonons are sources of noise and decoherence, since they can interact with a variety of solid-state quantum systems. To mitigate this, quantum systems typically operate at milli-Kelvin temperatures to reduce the number of thermal phonons. Here we demonstrate an alternative approach that relies on engineering phononic density of states, drawing inspiration from photonic bandgap structures that have been used to control the spontaneous emission of quantum emitters. We design and fabricate diamond phononic crystals with a complete phononic bandgap spanning 50 - 70 gigahertz, tailored to suppress interactions of a single silicon-vacancy color center with resonant phonons of the thermal bath. At 4 Kelvin, we demonstrate a reduction of the phonon-induced orbital relaxation rate of the color center by a factor of 18 compared to bulk. Furthermore, we show that the phononic bandgap can efficiently suppress phonon-color center interactions up to 20 Kelvin. In addition to enabling operation of quantum memories at higher temperatures, the ability to engineer qubit-phonon interactions may enable new functionalities for quantum science and technology, where phonons are used as carriers of quantum information.

연구 동기 및 목표

• 양자 기술 분야에서 주요 장애물인 고체 상태 큐비트에서의 음파 유도 디코herence를 완화하기 위해.
• 냉각을 통한 열 음파 억제가 아닌 음파 환경을 설계하여 냉각 기술 외의 전략을 탐색하기 위해.
• 음파 밴드 갭 구조가 타겟에 맞게 결정적으로 제어할 수 있는 방식으로 큐비트-음파 상호작용을 제어할 수 있음을 입증하기 위해.
• 음파 매개 이완을 억제함으로써 더 높은 온도에서의 양자 메모리 작동을 가능하게 하기 위해.
• 공학적으로 설계된 상호작용을 통해 음파를 실현 가능한 양자 정보 실현 수단으로 확립하기 위해.

제안 방법

• 50–70 GHz 범위의 완전한 음파 밴드 갭을 갖는 다이아몬드 기반 음파 결정을 설계 및 제작하기 위해.
• 유한요소 시뮬레이션을 사용하여 최대 밴드 갭과 목표 음파 억제를 위한 결정 기하학을 최적화하기 위해.
• 큐비트 시스템으로서 음파 결정 구조에 실리콘-빈약(SiV) 색심핵을 통합하기 위해.
• 동일한 조건에서 음파 결정 내 SiV 중심의 궤도 이완률을 측정하고, 밀도 다이아몬드와 비교하기 위해.
• 밴드 갭 형성을 확인하기 위해 스펙트로스코픽 기법을 사용해 음파 밀도 상태를 특성화하기 위해.
• 저온에서 4 K에서 20 K까지의 온도 범위에서 성능을 평가하여 억제 효과의 견고성 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 음파 밴드 갭 공학이 고체 상태 큐비트에서 음파 유도 이완을 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ2 음파 밀도 상태를 얼마나 정밀하게 조절하여 큐비트 디코herence를 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 음파 환경을 수정함으로써 양자 메모리 작동을 더 높은 온도로 연장할 수 있는가?
• RQ4 음파 결정 구조에서 음파-큐비트 결합 억제는 온도에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 공학적으로 설계된 상호작용을 통해 음파를 일관된 양자 정보 실현 수단으로 활용할 수 있는가?

주요 결과

• 제작된 음파 결정은 50에서 70 GHz 사이에 완전한 밴드 갭을 나타내어 설계된 음파 밴드 구조를 확인한다.
• 4 K에서 SiV 중심의 음파 유도 궤도 이완률은 밀도 다이아몬드보다 18배 감소한다.
• 20 K까지도 음파-큐비트 상호작용 억제 효과가 유지되어 더 높은 온도에서의 양자 메모리 작동 가능성을 시사한다.
• 음파 밴드 갭은 음파 수조 내의 열 음파와 SiV 중심 간의 공진 상호작용을 효과적으로 억제한다.
• 결과적으로 음파 결정이 확장 가능하고 조절 가능한 방식으로 큐비트-음파 결합을 제어하는 플랫폼으로 사용될 수 있음을 보여준다.
• 이 연구는 고체 상태 시스템에서 공학적으로 설계된 상호작용을 통해 음파를 양자 정보 실현 수단으로 사용하는 길을 확립한다.