[논문 리뷰] Multi-mode storage and retrieval of microwave fields in a spin ensemble

Cécile Grèzes, Brian Julsgaard외 14명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 30.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 구리산화물 다이아몬드에 있는 질소빈자리(NV) 중심을 초전도성 공진기와 결합하여 마이크로파 필드의 다중모드 저장 및 회수를 구현한다. 광학적 펌프를 통한 활성 스핀 재설정과 Hahn 에코 시퀀스를 통한 재초점화를 구현함으로써, 저자들은 최대 35 µs의 저장 시간과 거의 1에 가까운 효율을 갖는 에코 회수를 달성하였으며, 이는 이전 연구 대비 세 자리 수의 향상이며, 피코와트 수준에서 양자 수준의 작동을 가능하게 한다.

ABSTRACT

A quantum memory at microwave frequencies, able to store the state of multiple superconducting qubits for long times, is a key element for quantum information processing. Electronic and nuclear spins are natural candidates for the storage medium as their coherence time can be well above one second. Benefiting from these long coherence times requires to apply the refocusing techniques used in magnetic resonance, a major challenge in the context of hybrid quantum circuits. Here we report the first implementation of such a scheme, using ensembles of nitrogen-vacancy (NV) centres in diamond coupled to a superconducting resonator, in a setup compatible with superconducting qubit technology. We implement the active reset of the NV spins into their ground state by optical pumping and their refocusing by Hahn echo sequences. This enables the storage of multiple microwave pulses at the picoWatt level and their retrieval after up to $35 μ$s, a three orders of magnitude improvement compared to previous experiments.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트 기술과 호환되는 장수명 공명 마이크로파 양자 메모리 개발
• 밀리켈빈 온도에서 스핀 엔sembles의 스핀 붕괴와 비균일한 위상분리 문제 해결
• 광학적 펌프를 통한 활성 스핀 재설정과 Hahn 에코 재초점화를 통한 양자 수준의 다중모드 저장 구현
• 최소한의 손실과 높은 효율을 갖는 고정밀도, 즉각적인 약한 마이크로파 펄스 회수 달성

제안 방법

• 장수명 공명 시간을 갖는 스핀 엔sembles로 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심 활용
• 고품질 인자 초전도성 마이크로파 공진기와 결합하여 높은 협동성 확보
• 반복 작동을 위해 스핀 엔sembles를 기저 상태로 활성 재설정하기 위해 광학적 펌프 적용
• 두 개의 π 펄스를 사용한 Hahn 에코 시퀀스를 통한 위상분리 재초점화 및 다중모드 저장 구현
• 두 펄스 에코(2PE) 프로토콜을 사용하여 마이크로파 펄스를 역순으로 고정밀도로 저장 및 회수
• 스핀과 공진기 필드의 연립 운동 방정식을 사용한 시스템 모델링으로, 서로 다른 T2 시간을 갖는 두 개의 스핀 부분 엔sembles 고려

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학적 펌프를 통한 활성 스핀 재설정이 마이크로파 양자 메모리의 고반복률 작동을 가능하게 하는가?
• RQ2 Hahn 에코 시퀀스가 양자 수준의 하이브리드 스핀-마이크로파 시스템에서 위상분리를 효과적으로 재초점화하는가?
• RQ3 제어된 위상분리 조건 하에서 스핀 엔sembles에 저장 가능한 마이크로파 펄스의 최대 저장 시간는 얼마인가?
• RQ4 다중모드 설정에서 에코 효율은 저장 시간과 주입 전력에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 비마르코프성 디코herence 효과가 표준 스핀 위상분리 모델을 넘어서 에코 정밀도를 제한하는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 저자들은 최대 35 µs의 지연 시간을 갖는 마이크로파 펄스 저장 및 회수를 달성하였으며, 이는 이전 실험 대비 세 자리 수의 향상이다.
• 가장 강한 에코에 대해 약 3.1%의 에코 회수 효율을 측정하였으며, 이는 시뮬레이션 값보다 7배 낮은 전인자로 나타나, 스핀 위상분리 외의 추가 디코herence가 존재함을 시사한다.
• 시뮬레이션 결과 스핀 위상분리만으로도 에코 효율 손실의 주요 원인이 되며, 평균 효율에서 전인자는 0.21이지만, 실험적으로는 전인자가 뿐만 아니라 0.031에 불과함을 확인하였다.
• 빠른 및 느린 위상분리 부분 엔셈블을 가진 시뮬레이션에서, 재초점화 펄스 동안 공진기 필드는 거의 동일하게 유지되었으며, 이는 외부 주입이 스핀 반응 필드보다 지배적임을 나타낸다.
• 관측된 에코 진폭 감쇠는 f(τ)²의 형태를 띠며, f(τ) = A exp(-2τ/T2A) + B exp(-2τ/T2B)로 표현되며, 스핀 비균일성에 기인한 다중지수 감쇠와 일치한다.
• 시뮬레이션과 실험 효율 간의 격차는 표준 마르코프 근사에서 고려되지 않는 스핀 배경의 비마르코프성 디코herence 효과가 중요한 역할을 함을 시사한다.