[논문 리뷰] Heralded entanglement between solid-state qubits separated by 3 meters

Hannes Bernien, Bas Hensen외 9명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 26.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 3미터 떨어진 다이아몬드 내 두 전자 스핀 큐비트 간에 헤일로드된 얽힘을 실험적으로 구현하였으며, 스핀-광자 얽힘을 생성한 후 광학적 간섭을 통해 스핀을 얽히게 하는 프로토콜을 사용하였다. 실험은 벨 상태 |ψ⁻⟩에 대해 75%의 허상도를 달성하여 장수명 양자 메모리와 원거리 얽힘을 갖춘 확장 가능한 고체 상태 양자 네트워크로의 핵심 단계를 밝혔다.

ABSTRACT

Quantum entanglement between spatially separated objects is one of the most intriguing phenomena in physics. The outcomes of independent measurements on entangled objects show correlations that cannot be explained by classical physics. Besides being of fundamental interest, entanglement is a unique resource for quantum information processing and communication. Entangled qubits can be used to establish private information or implement quantum logical gates. Such capabilities are particularly useful when the entangled qubits are spatially separated, opening the opportunity to create highly connected quantum networks or extend quantum cryptography to long distances. Here we present a key experiment towards the realization of long-distance quantum networks with solid-state quantum registers. We have entangled two electron spin qubits in diamond that are separated by a three-meter distance. We establish this entanglement using a robust protocol based on local creation of spin-photon entanglement and a subsequent joint measurement of the photons. Detection of the photons heralds the projection of the spin qubits onto an entangled state. We verify the resulting non-local quantum correlations by performing single-shot readout on the qubits in different bases. The long-distance entanglement reported here can be combined with recently achieved initialization, readout and entanglement operations on local long-lived nuclear spin registers, enabling deterministic long-distance teleportation, quantum repeaters and extended quantum networks.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능하고 헤일로드된 프로토콜을 사용하여 고체 상태 큐비트 간 장거리 얽힘을 구축하기 위해.
• 다이아몬드 내 전자 스핀 큐비트가 광학적 링크를 통해 매크로스코픽 거리에서 얽힐 수 있음을 입증하기 위해.
• 향후 양자 네트워크를 위해 장수명 핵 스핀 레지스터와 원거리 스핀 얽힘을 통합하기 위해.
• 공진 광학 제어와 피드백 기반 안정화를 통해 고정도 얽힘을 달성하기 위해.
• 비편율과 광자 손실을 극복함으로써 고체 상태 시스템이 양자 네트워크에 실현 가능함을 검증하기 위해.

제안 방법

• 초순수 다이아몬드 내 두 개의 질소빈자점(NV) 중심이 전자 스핀 큐비트로 사용되었으며, ms = 0 및 ms = -1 상태에 코herent하게 인코딩되었다.
• 각 큐비트는 칩 내 스트립라인을 통해 적용된 마이크로파울스를 이용해 초위상 상태로 준비되었다.
• 2 ns의 공진 레이저 펄스가 각 NV 중심에서 전자 스핀과 방출된 광자 간의 얽힘을 생성하였다.
• 두 NV 중심에서 방출된 광자는 섬섬결합된 파이버 비트스플리터에 중첩되어 출력 포트에서 검출되었으며, 벨 상태 측정을 수행하였다.
• 각 출력 포트에서 한 광자씩 검출되면, 두 원거리 전자 스핀이 벨 상태로 성공적으로 투사된 것으로 간주된다.
• 다양한 기저에서의 단일 스타일 스핀 독출을 통해 비국소적 양자 상관관계가 확인되었으며, 이는 허상도 추정에 기여하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 링크를 사용하여 3미터 떨어진 고체 상태 큐비트 간에 신뢰성 있게 원거리 얽힘을 생성할 수 있는가?
• RQ2 다이아몬드 내 먼 거리에 있는 전자 스핀 간의 헤일로드된 얽힘에서 달성 가능한 최대 허상도는 얼마인가?
• RQ3 광자 상호구별성과 실험 오차는 원거리 얽힘의 허상도와 성공률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 장수명 핵 스핀 레지스터를 원거리 전자 스핀과 일관성 있게 연결하여 양자 메모리 및 처리에 활용할 수 있는가?
• RQ5 광자 수확 향상과 비편율 감소를 통해 성공률과 허상도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 |ψ⁻⟩ 상태에 대해 75%의 벨 상태 허상도를 달성하였으며, |ψ⁺⟩ 상태에 대해서는 64%의 허상도를 기록하여 비고전적 상관관계를 입증하였다.
• NV 스핀 큐비트의 코herence 시간은 14.3ms를 초월하였으며, 고체 내 단일 전자 스핀에서 보고된 바 중 가장 길었다.
• 얽힘 프로토콜의 성공 확률은 약 10⁻⁷로 추정되었으며, 평균적으로 10분에 한 번꼴로 얽힘 이벤트가 발생하였다.
• 광자 상호구별성이 주요 오차 원인으로 규명되었으며, 높은 허상도 제어 및 독출에도 불구하고 허상도를 제한하였다.
• 검출기의 후발광 현상이 상관관계를 왜곡시켰으며, 특히 |ψ⁺⟩ 상태에 영향을 미쳐 허상도를 낮추었다.
• 향후 광학 공진기, 동위원소 순수 다이아몬드, 낮은 온도 조건 등으로 광자 상호구별성과 허상도를 크게 향상시킬 수 있다.