[논문 리뷰] Noise spectroscopy of a quantum-classical environment with a diamond qubit

Santiago Hernández-Gómez, Francesco Poggiali외 2명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2018. 08. 24.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 질소빈자리(NV) 중심을 사용하여 복합적인 양자-고전적 환경을 특성화하는 노이즈 스펙트로스코피 프로토콜을 제시한다. 이 환경은 분명한 핵 스핀과 집합적인 양자 배스를 포함한다. 자세한 자기장 편향을 조절함으로써, 짧은 코herence 시간 조건에서도 노이즈 스펙트럼 밀도를 재구성할 수 있으며, 특히 강한 결합 영역에서 큐비트-배스의 반작용으로 인해 다중 고전적 노이즈 모델이 필요하다는 점을 드러내며, 다양한 다이내믹스 디커플링 시퀀스 하에서 큐비트 동역학의 예측 능력을 입증한다.

ABSTRACT

Knowing a quantum system's environment is critical for its practical use as a quantum device. Qubit sensors can reconstruct the noise spectral density of a classical bath, provided long enough coherence time. Here we present a protocol that can unravel the characteristics of a more complex environment, comprising both unknown coherently coupled quantum systems, and a larger quantum bath that can be modeled as a classical stochastic field. We exploit the rich environment of a Nitrogen-Vacancy center in diamond, tuning the environment behavior with a bias magnetic field, to experimentally demonstrate our method. We show how to reconstruct the noise spectral density even when limited by relatively short coherence times, and identify the local spin environment. Importantly, we demonstrate that the reconstructed model can have predictive power, describing the spin qubit dynamics under control sequences not used for noise spectroscopy, a feature critical for building robust quantum devices. At lower bias fields, where the effects of the quantum nature of the bath are more pronounced, we find that more than a single classical noise model are needed to properly describe the spin coherence under different controls, due to the back action of the qubit onto the bath.

연구 동기 및 목표

• 복합적인 환경을 특성화할 수 있는 노이즈 스펙트로스코피 방법을 개발하여, 동시에 협동적인 양자 시스템과 고전적인 배스를 포함한다.
• 짧은 큐비트 코herence 시간 조건에서 전통적 노이즈 스펙트로스코피의 한계를 극복한다.
• 강한 결합 영역에서 큐비트-배스 반작용이 노이즈 모델링에 미치는 영향을 조사한다.
• 다양한 다이내믹스 디커플링 시퀀스에 걸쳐 재구성된 노이즈 모델의 예측 능력을 검증한다.
• 양자 배스 효과가 지배할 경우 다수의 고전적 노이즈 모델이 필요하다는 점을 입증한다.

제안 방법

• 프로토콜은 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 전자 스핀을 양자 센서로 사용하여, 13C 핵 스핀을 포함한 국소 환경을 탐사한다.
• 노이즈 스펙트럼 밀도(NSD)는 UDD, XY-8, AXY-8를 포함한 다양한 다이내믹스 디커플링(DD) 시퀀스 하에서 스핀 코herence 분석을 통해 재구성된다.
• 두 가지 다른 NSD 추출 방법이 사용된다: 하나는 $T_2^L$ 측정 기반이며, 다른 하나는 여러 DD 시퀀스에 걸친 집합적 인구 데이터 $P_n$의 同시 피팅 방식이다.
• NSD 중심은 라르모르 주파수 $\nu_L = B\gamma_{C_{13}}$에 고정되며, 오프셋, 진폭, 폭을 자유 매개변수로 가진다.
• 다양한 자기장과 펄스 시퀀스에서 시뮬레이션과 실험 데이터를 비교함으로써 방법의 타당성을 검증한다.
• 강한 결합 영역에서는 이중 모델 그림을 채택하여, 두 NSD 추출 방법의 결과를 조합함으로써 예측 정확도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 협동적인 양자 시스템과 집합적인 양자 배스를 포함한 환경에 대해 노이즈 스펙트로스코피가 효과적으로 적용될 수 있는가?
• RQ2 큐비트-배스 반작용은 강한 결합 영역에서 고전적 노이즈 모델의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 재구성된 노이즈 모델은 스펙트로스코피 기간 동안 사용되지 않은 제어 시퀀스 하에서 큐비트 동역학을 예측할 수 있는가?
• RQ4 어떤 조건에서 단일 고전적 노이즈 모델이 정확한 기술을 위해 부족한가?
• RQ5 다양한 다이내믹스 디커플링 시퀀스는 노이즈 스펙트럼 밀도 재구성의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 재구성된 노이즈 모델은 스펙트로스코피 기간 동안 사용되지 않은 제어 시퀀스 하에서 NV 스핀 동역학을 성공적으로 예측하여, 예측 능력을 입증한다.
• 약한 결합 영역(고자기장 조건)에서는 단일 고전적 노이즈 모델이 충분하며, 다양한 DD 시퀀스 하에서의 코herence를 정확하게 기술한다.
• 강한 결합 영역(저자기장 조건)에서는 큐비트에 의한 배스 수정으로 인해 다수의 고전적 노이즈 모델이 필요하며, 특히 좁은 필터 DD 시퀀스에서 두드러진다.
• $T_2^L$ 기반 NSD 추출 방법은 펄스 수가 적은 시퀀스(예: 하른 에코)에서만 동역학을 잘 예측한다. 깊은 코herence 붕괴로 인해 그렇다.
• 여러 시퀀스에 걸친 $P_n$ 데이터의 동시에 피팅은 고펄스 수 시퀀스에서는 정확도를 향상시키지만, $n=2$인 CPMG와 같은 저펄스 수 시퀀스에서는 실패한다.
• 두 모델 접근법—$T_2^L$ 및 다중 시퀀스 피팅 조합—은 약한 결합 영역에서 $T_2^L$ 방법과 유사한 $\chi_\nu^2$ 값을 제공하여, 강건성을 확인한다.