[논문 리뷰] Measurement of the Berry Phase in a Single Solid-State Spin Qubit

Kai Zhang, Naufer Nusran외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 09.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심을 이용하여 단일 고체상 스핀 큐비트에서 베리 위상의 첫 번째 실험적 측정을 수행한다. 마이크로파를 이용한 기하학적 제어와 스핀에코 간섭측정을 통해 저자들은 베리의 이론적 예측과 뛰어난 일치를 관찰하였으며, 위상 분산가 주로 마이크로파 제어 필드의 진폭에 대한 빠른 변동에 기인하며 환경의 스핀 배스에 의한 영향보다 더 크다는 것을 밝혀냈다.

ABSTRACT

We present measurements of the Berry Phase in a single solid-state spin qubit associated with the nitrogen-vacancy center in diamond. Our results demonstrate the remarkable degree of coherent control achievable in the presence of a highly complex solid-state environment. We manipulate the spin qubit geometrically by careful application of microwave radiation that creates an effective rotating magnetic field, and observe the resulting phase via spin-echo interferometry. We find good agreement with Berry's predictions within experimental errors. We also investigated the role of the environment on the geometric phase, and observed that unlike other solid-state qubit systems, the dephasing was primarily dominated by fast radial fluctuations in the path.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 비마르코프성 고체상 환경에서 단일 고체상 스핀 큐비트에서 기하학적 베리 위상을 실험적으로 측정하는 것.
• 환경 노이즈가 양자 시스템에서 기하 위상의 코herence에 미치는 영향을 조사하는 것.
• NV 중심과 같은 현실적인 고체상 플랫폼에서 기하 양자 제어의 내성에 대한 시험.
• 특히 제어 필드 노이즈와 환경의 스핀 배스 간의 위상 분산 기여도를 구분하는 것.

제안 방법

• 마이크로파 복사장을 적용하여 효과적인 회전하는 자장이 만들어지도록 하여 NV 중심 스핀이 블로흐 구면 위의 닫힌 경로를 따라 움직이도록 한다.
• 누적 위상을 측정하기 위해 스핀에코 간섭측정을 사용하며, 에코 시퀀스는 동적 위상을 상쇄시키고 기하 위상만 분리한다.
• 시스템은 532 nm에서 광학적 펌핑과 형광 검출을 통해 초기화되고 읽어낸다.
• 감도 Δ의 빠른 변동은 가우시안 랜덤 과정으로 모델링되며, 실현치에 대한 통계적 평균을 통해 위상 감쇠를 계산한다.
• 이론적 모델링은 기하 위상을 예측하기 위해 β_g = Θ_C를 사용하며, 여기서 Θ_C = 2π(1 − cosθ)는 경로에 의해 정의되는 입체각이다.
• 아디아바틱성, 동적 위상 분산, 취소 실험의 시뮬레이션을 수행하고 실험 데이터와의 일치 여부를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 환경 조건에서 단일 고체상 스핀 큐비트에서 베리 위상을 측정할 수 있는가?
• RQ2 복잡한 고체상 환경은 양자 시스템에서 기하 위상의 코herence에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 NV 중심 큐비트에서 기하 위상 축적 시 주요 위상 분산 기여 요인은 무엇인가?
• RQ4 실험 데이터가 기하 위상에 대한 베리의 이론적 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 제어 필드 노이즈가 환경의 스핀 배스 효과보다 기하 위상의 위상 분산에 더 지배적인가?

주요 결과

• 측정된 베리 위상은 베리의 이론적 예측과 뛰어난 일치를 보이며, 위상 축적의 기하학적 성격을 확인한다.
• 위상 분산는 주로 마이크로파 제어 필드 진폭의 빠른 변동에 의해 주로 결정되며, 환경의 스핀 배스와의 결합에 의한 영향보다 더 크다.
• 진폭 노이즈에 의한 시뮬레이션된 위상 감쇠는 실험적 감쇠 timescale와 일치하며, 상대적 변동 수준은 σ_Ω/Ω ≈ 10⁻³이다.
• 에코 시퀀스의 각 반절에서의 동적 위상 변동은 약 √2 라디안에 도달하여 관측된 1/e 감쇠 엔벨로프를 설명한다.
• 측정된 T₂(200 μs)로부터 예측된 베리 위상 감쇠는 실험적으로 관측된 감쇠보다 훨씬 느리며, T₂가 주요 요인임을 시사하지 못한다.
• 아디아바틱성, 동적 위상 분산, 취소 실험의 시뮬레이션 결과는 모두 실험 데이터와 일치하여 모델 및 측정 프로토콜의 타당성을 검증한다.