[논문 리뷰] Hybrid nanodiamond-YIG systems for efficient quantum information processing and nanoscale sensing

Paolo Andrich, Charles F. de las Casas외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 25.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 28인용 수 47

한 줄 요약

이 논문은 나노다이아몬드-yttrium iron garnet (YIG) 하이브리드 시스템을 통해 YIG 내 스핀 웨이브를 이용해 마이크로파장을 100배 이상 증폭시켜, 수백 마이크로미터까지 거리에서 나노다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심을 장거리로 일관되게 제어할 수 있음을 보여준다. 직접적인 전기쌍극자 결합의 한계를 극복하기 위해 전파되는 표면 스핀 웨이브를 양자 버스로 사용함으로써, 효율적이고 저전력의 NV 큐비트 조작이 가능해지고, 원거리 공명 구동을 통해 센서 감도가 향상된다.

ABSTRACT

The nitrogen-vacancy (NV) center in diamond has been extensively studied in recent years for its remarkable quantum coherence properties that make it an ideal candidate for room temperature quantum computing and quantum sensing schemes. However, these schemes rely on spin-spin dipolar interactions, which require the NV centers to be within a few nanometers from each other while still separately addressable, or to be in close proximity of the diamond surface, where their coherence properties significantly degrade. Here we demonstrate a method for overcoming these limitations using a hybrid yttrium iron garnet (YIG)-nanodiamond quantum system constructed with the help of directed assembly and transfer printing techniques. We show that YIG spin-waves can amplify the oscillating field of a microwave source by more than two orders of magnitude and efficiently mediate its coherent interactions with an NV center ensemble. These results demonstrate that spin-waves in ferromagnets can be used as quantum buses for enhanced, long-range qubit interactions, paving the way to ultra-efficient manipulation and coupling of solid state defects in hybrid quantum networks and sensing devices.

연구 동기 및 목표

• 다이아몬드 내 NV 중심 간 직접적인 전기쌍극자 상호작용의 짧은 범위 문제를 해결하기 위해, 10 nm 이내의 간격이 필요하고 표면 근처에서 위상이 악화되는 문제를 해결한다.
• 자성체 스핀 웨이브를 양자 버스로 사용하여 고체 상태 큐비트의 장거리, 일관된 결합을 위한 확장 가능한 플랫폼을 개발한다.
• 스핀 웨이브를 통한 마이크로파 구동을 통해 NV 중심의 효율적이고 저전력 제어를 실현하고, 직접 안테나 구동 대비 3개 이상의 전력 감소를 달성한다.
• 스핀 웨이브 결합을 통한 원거리 공명 구동을 통해 타겟 스핀을 원격에서 자극함으로써 나노스케일 센싱 성능을 향상시킨다.
• 다이내널 디커플링과 같은 고급 양자 제어 프로토콜과의 호환성을 검증하여 스핀 웨이브 구동 하에서의 견고한 위상 유지 능력을 확인한다.

제안 방법

• 3.08 µm 두께의 단일결정 YIG 필름을 GGG 기판에 성장시켜 마이크로파장을 자극하기 위해 두 개의 Ti/Au 마이크로스트립 라인(MSL)을 패턴화한다.
• 외부 자기장이 MSL에 대해 θ 각도로 가해진 상태에서 MSL을 통해 YIG 필름 내 표면 Damon-Eshbach 스핀 웨이브(데스브)를 자극한다.
• 수백 개의 NV 중심을 포함한 나노다이아몬드(NDs)는 PDMS 막을 사용한 새로운 전사 인쇄 기술을 통해 YIG 표면에 정밀하게 위치시킨다.
• 마이크로파 전송 스펙트럼과 광발광 스캔을 이용해 YIG 표면 전역의 스핀 웨이브 분산과 필드 증폭을 매핑한다.
• NV 중심의 일관된 제어는 마이크로파 주파수를 NV 스핀 공명 주파수와 일치시켜 스핀 웨이브 필드의 증폭을 활용해 공명 Rabi 구동을 실현한다.
• 스핀 웨이브를 통한 운영 중에도 NV 위상 유지 능력을 확보하기 위해 고급 다중 펄스 다이내널 디커플링 시퀀스를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 YIG 박막 내 스핀 웨이브가 마이크로파장을 충분히 증폭시켜 나노다이아몬드 내 NV 중심의 장거리, 일관된 제어를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 스핀 웨이브를 통한 상호작용이 직접적인 전기쌍극자 결합을 대체함으로써 큐비트 운영에 요구되는 엄격한 나노스케일 근접 조건을 완화할 수 있는가?
• RQ3 스핀 웨이브 증폭을 사용할 경우 효과적인 NV 중심 제어에 필요한 최소 마이크로파 전력은 얼마이며, 직접 안테나 구동 대비 어떻게 비교되는가?
• RQ4 자성체 매질에 연결된 상태에서도 NV 중심의 위상 유지가 가능한가, 그리고 고급 양자 제어 프로토콜과 호환되는가?
• RQ5 이 플랫폼은 스핀 웨이브 웨이브가이드 및 캐비티 아키텍처를 통해 타겟 스핀을 원거리에서 공명적으로 자극할 수 있는가, 이를 통해 센싱 성능을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• YIG 필름 내 스핀 웨이브는 마이크로스트립 라인에 의해 생성된 마이크로파장을 2개 이상의 전력 단위 이상 증폭시키며, 이 증폭 효과는 수백 마이크로미터까지 지속된다.
• 마이크로파 소스에서 최대 70 µm 떨어진 곳에 위치한 NV 중심을 약 5 µW의 마이크로파 전력만으로 공명 구동할 수 있으며, 이는 직접 안테나 구동 대비 3개 이상의 전력 감소를 의미한다.
• 스핀 웨이브와 NV 중심 간의 일관된 상호작용은 고급 다이내널 디커플링 프로토콜을 지원하며, 스핀 웨이브 구동 하에서도 NV 위상 수명이 안정적임을 입증한다.
• 광발광 스캔 결과, 수백 마이크로미터 폭에 걸쳐 균일한 NV 자극이 관측되어 효율적이고 광범위한 스핀 웨이브 결합이 이루어졌음을 확인한다.
• 측정된 마이크로파 전송 스펙트럼은 기대되는 스핀 웨이브 분산과 NV 중심 전이 주파수와 일치하는 명확한 공명 특성을 보이며, 스핀 웨이브를 통한 상호작용 메커니즘이 검증됨을 입증한다.
• 시스템은 비자성 기판(GGG 등)과도 호환됨을 확인하여 관측된 필드 증폭 및 위상 유지 효과가 YIG의 스핀 웨이브 반응 때문이며, 기판 효과가 아니라는 점을 입증한다.