[논문 리뷰] Hyperfine spectroscopy and fast, all-optical arbitrary state initialization and readout of a single, ten-level ${}^{73}$Ge vacancy nuclear spin qudit in diamond

Chris Adambukulam, Brett C. Johnson외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 08.

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 내 73Ge-빈점 결함에서 공명 인가를 이용한 코herent population trapping(CPT)를 통해 10레벨 핵 스핀 큐딧의 전적으로 광학적, 초고속 초기화 및 읽기 기능을 입증한다. 저자들은 I=9/2인 73Ge 핵의 초미세구조를 해결하였으며, 약 84%의 μs 스케일 초기화 정밀도를 달성하였고, 마이크로파나 RF 필드를 필요로 하지 않는 완전히 광학적인 고정밀 플랫폼을 구축하여 양자 메모리 및 스핀-광자 인터페이스를 실현하였다.

ABSTRACT

A high-spin nucleus coupled to a color center can act as a long-lived memory qudit in a spin-photon interface. The germanium vacancy (GeV) in diamond has attracted recent attention due to its excellent spectral properties and provides access to the ten-dimensional Hilbert space of the $I=9/2$ ${}^{73}$Ge nucleus. Here, we observe the ${}^{73}$GeV hyperfine structure, perform nuclear spin readout, and optically initialize the ${}^{73}$Ge spin into any eigenstate on a $μ$s timescale and with a fidelity of up to $\sim 84\%$. Our results establish the ${}^{73}$GeV as an optically addressable high-spin quantum platform for a high-efficiency spin-photon interface as well as for foundational quantum physics and metrology.

연구 동기 및 목표

• 다이아몬드 내 73Ge-빈점(GeV) 결함를 전적으로 광학적으로 제어 가능하고 고스핀 핵 큐딧 플랫폼으로서 10차원 힐베르트 공간을 갖는 시스템으로 정립하기 위해.
• 저자기율과 큰 힐베르트 공간을 가진 고스핀 핵을 마이크로파나 RF 필드 없이 초기화하고 읽는 데 도전하는 데에.
• 단일 결함에서 CPT 기반 초미세구조 분광법, 상태 읽기 및 빠른 초기화를 통해 73Ge 핵 스핀을 구현하기 위해.
• 양자 메모리, 양자 네트워크 및 기본 양자물리학 응용 분야에 적합한 고정밀 전적으로 광학적 핵 스핀 큐딧 제어를 가능하게 하기 위해.
• 73Ge 핵 스핀의 장수 공명 시간과 광학적 제어 가능성에 기반한 확장 가능하고 내재된 양자 메모리 플랫폼을 제공하기 위해.

제안 방법

• 73Ge 핵의 기저 상태와 자극 상태 사이에 공명 인가를 통해 10개의 초미세 준위를 해석할 수 있도록 두 개의 레드 딜레이티드 레이저를 이용한 CPT를 적용하여 GeV의 기저 상태와 자극 상태를 공명적으로 연결하였다.
• 다중 샷에 걸쳐 신호 통합을 통해 검출 정밀도를 향상시키기 위해, 펄스 CPT를 사용하여 핵 스핀 상태를 읽어내는 데에 활용하였으며, 이는 복사광 검출을 통해 실시되었다.
• 빠른 전적으로 광학적 초기화를 위해 핵 스핀 보존이 아닌 광학적 리라크세이션 과정을 활용하여, μs 스케일 내에 10개의 고유 상태 중 어느 것도 선택적으로 초기화하였다.
• 레이저 딜레이팅 δ를 변화시키면서 외부 자기장 B₀를 변화시켜 초미세구조 분광법을 수행하였으며, 이로써 |m_I⟩ = -9/2에서 +9/2 상태에 해당하는 10개의 고유한 CPT 우물(저하)를 매핑하였다.
• 디테일링 오차와 파워 브로드닝을 최소화하여 초기화 정밀도를 최적화하였으며, 향후 향상에 있어 T₂* 및 동위원소 순도가 핵심 요소임을 규명하였다.
• 초미세분열의 변형 의존성 계산을 수행하고, 실험적으로 측정된 A∥ ≈ 37 MHz와 비교하여 초미세 상호작용 강도를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 73Ge-빈점 결함 내 10레벨 73Ge 핵 스핀의 초미세구조는 전적으로 광학적 CPT 기법을 통해 해석될 수 있는가?
• RQ2 마이크로파나 RF 필드 없이 어떤 73Ge 핵 스핀 고유 상태도 빠르고 고정밀하게 전적으로 광학적으로 초기화할 수 있는가?
• RQ3 이 시스템에서 CPT 기반 읽기 및 초기화의 정밀도를 제한하는 핵 스핀 확산의 역할은 무엇인가?
• RQ4 광학적 리라크세이션 과정이 핵 스핀의 빠른 초기화를 어떻게 가능하게 하는가? 그리고 그 정밀도의 기본 한계는 무엇인가?
• RQ5 73Ge-빈점 결함는 스핀-광자 인터페이스를 위한 확장 가능하고 내재적이며 전적으로 광학적인 양자 메모리 플랫폼으로서 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 73Ge-빈점 결함 내 73Ge 핵의 초미세분열은 실험적으로 A∥ ≈ 37 MHz로 측정되었으며, 이는 이론적 예측과 일치하였다.
• CPT 분광법을 통해 I = 9/2인 73Ge 핵의 10개의 고유한 초미세 준위가 해석되었으며, 각 우물은 |−9/2⟩에서 |+9/2⟩까지의 고유한 |m_I⟩ 고유 상태에 해당하였다.
• 펄스 CPT를 이용한 핵 스핀 읽기는 복사광 검출을 통해 실시되었으며, 상태 식별이 가능했지만, 빠른 핵 스핀 확산으로 인해 한 샷당 광자 수는 1 미만이었다.
• 모든 상태에 대해 μs 스케일 내에 전적으로 광학적 초기화를 달성하였으며, 최대 정밀도는 약 84%였으며, 이는 딜레이팅 오차와 파워 브로드닝으로 인해 제한되었다.
• 초기화 정밀도는 광학 수명과 전자 T₂* 공명 시간에 의해 본질적으로 제한되며, 향후 동위원소 순도 향상 및 B₀를 [111] 축에 정렬함으로써 더 나은 성능 기대 가능하다.
• 이 시스템은 마이크로파 제어를 필요로 하지 않고 고스핀 핵 큐딧의 빠른 전적으로 광학적 제어를 가능하게 하여, 양자 정보 처리 및 미세측정 분야에서 확장 가능한 플랫폼을 제공한다.