[논문 리뷰] Optically coherent nitrogen-vacancy defect centers in diamond nanostructures

Laura Orphal‐Kobin, Kilian Unterguggenberger외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 10.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 전자기적 노이즈를 재료 및 제조 공정 최적화를 통해 감소시켜 수명 한계 폭(14 MHz)과 장기적인 스펙트럼 안정성(3분 동안 150 MHz 비균일 폭)을 달성한 다이아몬드 나노피라에서 광학적으로 공진하는 질소빈약(NV) 결함 중심을 보여준다. 저자들은 스펙트럼 이동을 완화하기 위해 스펙트럼 재정렬과 동적 제어를 조합한 고속 얽힘 프로토콜을 제안하여 최대 450 kHz의 얽힘 생성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Optically active solid-state spin defects have the potential to become a versatile resource for quantum information processing applications. Nitrogen-vacancy defect centers (NV) in diamond act as quantum memories and can be interfaced by coherent photons as demonstrated in entanglement protocols. However, in particular in diamond nanostructures, the effect of spectral diffusion leads to optical decoherence hindering entanglement generation. In this work, we present strategies to significantly reduce the electric noise in diamond nanostructures. We demonstrate single NVs in nanopillars exhibiting lifetime-limited linewidth on the time scale of one second and long-term spectral stability with inhomogeneous linewidth as low as 150 MHz over three minutes. Excitation power and energy-dependent measurements in combination with nanoscopic Monte Carlo simulations contribute to a better understanding of the impact of bulk and surface defects on the NV's spectral properties. Finally, we propose an entanglement protocol for nanostructure-coupled NVs providing entanglement generation rates up to hundreds of kHz.

연구 동기 및 목표

• 다이아몬드 나노구조에서 NV 중심의 광학적 공진성을 떨어뜨리는 스펙트럼 이동 문제를 해결하기 위해.
• 배경 및 표면 결함에서 기인하는 전기적 노이즈를 줄여 나노피라 내 NV 중심에서 장기적인 스펙트럼 안정성과 좁은 폭을 달성하기 위해.
• 나노구조에 결합된 NV 중심을 위한 확장 가능한 고속 얽힘 프로토콜을 개발하기 위해, 동적 스펙트럼 제어를 통해 디코herence를 완화하기 위해.
• 모의 실험과 실험 측정을 통해 자극 강도와 결함 분포가 NV 스펙트럼 특성에 미치는 영향을 이해하기 위해.

제안 방법

• 표면 결함을 최소화하기 위해 제어된 표면 종료 조건을 적용한 전자선 리소그래피 및 건식 에칭을 사용하여 다이아몬드 나노피라를 제작하였다.
• 폭과 강도-확장 매개변수를 추출하기 위해 가변 자극 강도와 스캔 속도로 광발광 자극(PLE) 분광법을 수행하였다.
• 전하 트랩에서 기인하는 변동 전기장의 모의를 위해 나노스코픽 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 스펙트럼 이동으로 인한 폭 넓어짐을 예측하였다.
• 3단계 얽힘 프로토콜을 구현: NV 초기화, 500 kHz 반복 주기의 공진 π 펄스 기반 얽힘 생성, PLE 스캔을 통한 스펙트럼 재정렬.
• 525 nm 초기화 펄스와 DC 전압 조절을 사용하여 이온화 사건 이후 NV 전이 주파수를 안정화하였다.
• 확률적 확산 모델을 적용하여 전하 역학을 시뮬레이션하고 결함 농도와 스펙트럼 불안정성 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 및 배경 결함은 다이아몬드 나노피라 내 NV 중심의 광학적 공진성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다이아몬드 나노구조에서 전기적 노이즈를 충분히 줄일 수 있는가, 이를 통해 수명 한계 폭을 달성할 수 있는가?
• RQ3 자극 강도는 단일 NV 중심의 관측 폭과 스펙트럼 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 스펙트럼 이동이 능동적으로 제어될 경우, 나노구조 NV 시스템에서 얻을 수 있는 최대 얽힘 생성 속도는 얼마인가?
• RQ5 스펙트럼 재정렬 프로토콜은 이온화 유도 스펙트럼 점프 이후 공진성을 복구할 수 있는가?

주요 결과

• 나노피라 내 단일 NV 중심은 14 MHz의 생체 수명 한계 폭을 달성하였으며, 3분 동안 최소 150 MHz의 비균일 폭을 유지하였다.
• 측정된 폭은 자연 폭 16.2 ± 1.8 MHz와 포화 강도 5.4 ± 2.2 nW를 예측하는 몬테카를로 시뮬레이션과 일치하였다.
• 자극 강도 의존 측정 결과는 γ = γ₀√(1 + P/P_sat) 형태의 강도-확장 행동을 보였으며, P_sat ≈ 5.4 nW로 나타났다.
• PLE 스캔(스캔 속도 6 GHz/s)을 통한 스펙트럼 재정렬은 약 5 ms가 소요되어 스펙트럼 점프 이후 빠른 복구가 가능하다고 추정되었다.
• 제안된 얽힘 프로토콜은 기술적 요인에 의해 제한되며, 기본 물리 법칙에 의해 제한되지 않는 한 최대 450 kHz의 얽힘 생성 속도를 지원한다.
• 자연 질소에서 형성된 NV 중심은 이온 주입된 NV 중심보다 뛰어난 공진성을 보였으며, 이는 격자 손상과 낮은 결함 농도를 의미한다.