[논문 리뷰] Microwave-based quantum control and coherence protection of tin-vacancy spin qubits in a strain-tuned diamond membrane heterostructure

Xinghan Guo, Alexander M. Stramma외 20명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 21.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 응력 조절된 다이아몬드 막 이종구조에서 주석-빈자리(SnV) 스핀 큐비트의 마이크로파 기반 양자 제어 및 동역학적 보호를 구현한다. SnV 도핑 다이아몬드 막을 불화 규소와 접합함으로써 수동적으로 균일한 인장 응력(~0.1%)이 생성되며, 이는 고정밀 마이크로파 제어(99.36% 게이트 허용도)와 4 K에서 223(10) μs까지 연장된 스핀 동역학 시간을 가능하게 하여, 이 온도에서의 제4족 큐비트로서 기록 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Robust spin-photon interfaces in solids are essential components in quantum networking and sensing technologies. Ideally, these interfaces combine a long-lived spin memory, coherent optical transitions, fast and high-fidelity spin manipulation, and straightforward device integration and scaling. The tin-vacancy center (SnV) in diamond is a promising spin-photon interface with desirable optical and spin properties at 1.7 K. However, the SnV spin lacks efficient microwave control and its spin coherence degrades with higher temperature. In this work, we introduce a new platform that overcomes these challenges - SnV centers in uniformly strained thin diamond membranes. The controlled generation of crystal strain introduces orbital mixing that allows microwave control of the spin state with 99.36(9) % gate fidelity and spin coherence protection beyond a millisecond. Moreover, the presence of crystal strain suppresses temperature dependent dephasing processes, leading to a considerable improvement of the coherence time up to 223(10) $μ$s at 4 K, a widely accessible temperature in common cryogenic systems. Critically, the coherence of optical transitions is unaffected by the elevated temperature, exhibiting nearly lifetime-limited optical linewidths. Combined with the compatibility of diamond membranes with device integration, the demonstrated platform is an ideal spin-photon interface for future quantum technologies.

연구 동기 및 목표

• 고온에서 주석-빈자리(SnV) 중심에서 효율적인 마이크로파 제어 부족 및 제한된 스핀 동역학 시간 문제를 해결한다.
• 효율적인 스핀-응력 상호작용과 오비탈 혼합을 위해 다이아몬드에서 충분한 응력(~0.1%)을 확보하는 과제를 극복한다.
• 4 K에서 높은 정밀도의 양자 제어와 장수명 스핀 동역학 시간을 위한 확장 가능하고 통합 가능한 플랫폼을 개발한다.
• mK 시스템을 요구하지 않고도 접근 가능한 냉각 온도(4 K)에서 작동함으로써 실용적인 양자 네트워킹 및 센싱을 가능하게 한다.

제안 방법

• 고품질 화학 기상 에피택셜 기법을 사용해 SnV 중심이 도핑된 얇은 다이아몬드 막을 제작한다.
• 열팽창 계수의 불일치로 인해 균일한 평면 내 인장 응력(~0.1%)을 유도하기 위해 다이아몬드 막을 불화 규소 기판에 접합한다.
• 접합 후 공면파도를 사용해 스핀의 공명 제어를 위한 마이크로파 펄스를 공급한다.
• 스핀 동역학 시간 연장을 위해 동적 분할 시퀀스(XY8, 2XY8)를 활용한다.
• 광학적 성질을 평가하기 위해 광발광 스펙트로스코피를 이용한다.
• 1.7 K와 4 K에서 무작위 기준화 기반 및 라비 진동 측정을 통해 마이크로파 게이트 허용도를 특성화한다.

Figure 1: Strained SnV in diamond membrane heterostructures. (a) Schematics of the diamond-fused silica heterostructure. The static, tensile strain inside the membrane is generated from the disparity of thermal expansion ratios of diamond and fused silica. (b) The microscope image of the diamond mem

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드 막에서 제어 가능한 응력이 SnV 스핀 큐비트의 효율적 마이크로파 제어를 가능하게 하는가?
• RQ2 응력 유도 오비탈 혼합이 4 K에서 SnV 중심의 스핀 동역학 시간에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 응력 조절된 막 플랫폼에서 SnV 스핀 큐비트의 동역학 시간은 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 이 응력 이종구조에서 고온(최대 7 K)에서도 SnV 중심의 광학적 동역학 시간이 유지되는가?
• RQ5 이 플랫폼은 마이크로파 및 광학 구성 요소의 확장 가능한 통합에 적합한가?

주요 결과

• 4.50(2) MHz 주파수와 24 dBm 마이크로파 전력에서 SnV 스핀 큐비트의 마이크로파 제어가 달성되었으며, 라비 게이트 허용도는 99.36(9)%였다.
• 1.7 K에서 T₂는 1.57(8) ms에 도달했고, 4 K에서는 동적 분할을 통해 223(10) μs까지 연장되었다.
• 4 K에서 T₂,echo 값은 74(2) μs였고, T₂,2XY8는 223(10) μs로 분극화 제한 값에 도달했다.
• 7 K까지의 영역에서 제로-포논 라인의 반폭은 52.0(8) MHz 이하로 유지되어 거의 수명 제한 광학 동역학 시간을 나타낸다.
• 응력 유도 오비탈 혼합 덕분에 외부 자기장이 없이도 효과적인 스핀 제어가 가능했다.
• 이 플랫폼는 4 K에서 작동 가능하며, mK 시스템 대비 냉각 인프라 요구량을 크게 감소시킨다.

Figure 2: Optical properties of the strained SnV center under applied magnetic fields at $1.7\text{\,}\mathrm{K}$ . (a) The energy splitting rate between the A1-B2 spin conserving transitions with respect to the polar angle $\theta$ of the applied magnetic field at different azimuthal angle $\phi$ .