[논문 리뷰] Robust multi-qubit quantum network node with integrated error detection

Pieter-Jan Stas, Yan Qi Huan외 16명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 26.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 나노광학 공진기 내의 실리콘-빈점(SiV) 중심을 기반으로 한 강건하고 통합된 이량자 양자 네트워크 노드를 제시한다. SiV 전자 스핀을 통신 큐비트로, 29Si 핵 스핀을 2초 이상의 공명 시간을 갖는 장수명 메모리 큐비트로 사용한다. 매우 높은 임의의 스트레인을 가진 SiV를 통해 전자 스핀-음향파 상호작용을 억제함으로써, 플랫폼은 최대 1.5 K에서 전자-광자 얽힘을 달성하고, 최대 4.3 K에서 직접 핵-광자 얽힘을 실현한다. 또한 전자 스핀을 플래그 큐비트로 활용해 효율적인 오류 탐지 기능을 제공함으로써, 확장 가능한 양자 반복기 아키텍처를 실현한다.

ABSTRACT

Long-distance quantum communication and networking require quantum memory nodes with efficient optical interfaces and long memory times. We report the realization of an integrated two-qubit network node based on silicon-vacancy centers (SiVs) in diamond nanophotonic cavities. Our qubit register consists of the SiV electron spin acting as a communication qubit and the strongly coupled 29Si nuclear spin acting as a memory qubit with a quantum memory time exceeding two seconds. By using a highly strained SiV with suppressed electron spin-phonon interactions, we realize electron-photon entangling gates at elevated temperatures up to 1.5 K and nucleus-photon entangling gates up to 4.3 K. Finally, we demonstrate efficient error detection in nuclear spin-photon gates by using the electron spin as a flag qubit, making this platform a promising candidate for scalable quantum repeaters.

연구 동기 및 목표

• 장수명 양자 메모리와 효율적인 광학 인터페이스를 갖춘 확장 가능한 통합 양자 네트워크 노드를 개발한다.
• 전자 스핀-음향파 상호작용을 억제하는 매우 높은 스트레인을 가진 SiV 중심을 설계하여, 양자 메모리에서 음향파에 의한 위상 분리 문제를 해결한다.
• 실용적인 양자 반복기 작동을 위해 고온(최대 4.3 K)에서도 핵 스핀과 광자를 정확하게 얽히게 하는 결정론적 고신뢰도 얽힘을 실현한다.
• 전자 스핀을 플래그 큐비트로 활용하여 핵-광자 얽힘 작업 중 오류를 탐지하고 보완할 수 있는 통합 오류 탐지 기능을 도입한다.
• 핵 메모리의 디코herence가 1/e에 도달하기 이전에 90회 이상의 전자 상태 읽기 작업을 수행할 수 있는 플랫폼을 구현한다.

제안 방법

• 다이아몬드 나노광학 공진기 내의 실리콘-빈점(SiV) 중심을 사용하며, 29Si 핵 스핀을 장수명 메모리 큐비트로, SiV 전자 스핀을 통신 큐비트로 활용한다.
• 매우 높은 스트레인을 가진 SiV를 통해 전자 스핀-음향파 상호작용을 감소시켜, 고온(전자-광자 얽힘 최대 1.5 K, 핵-광자 얽힘 최대 4.3 K)에서의 작동을 가능하게 한다.
• 전자 스핀의 단계 기반 읽기 기술을 적용하여 선택적 읽기와 여러 번의 재설정이 가능하며, 핵 스핀 메모리의 열화를 방지한다.
• 전자 스핀을 플래그 큐비트로 사용하여 반사된 빛의 스핀 의존적 위상 이동을 측정함으로써 핵-광자 얽힘 작업 중 오류를 탐지한다.
• 레이저 주파수를 최적화하여 전자 상태의 구분 가능성과 핵 상태의 디코herence 비율의 비율을 최대화함으로써, 읽기 작업 당 정보 손실를 최소화한다.
• 조절 가능한 결합 파ameter(g, κ_in, κ_tot)와 자기장 조절을 포함하는 공진기-양자전기역학(QED) 아키텍처를 활용하여 핵 디코herence가 1/e에 도달하기 이전에 전자 읽기 횟수를 최대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노광학 공진기 내 매우 높은 스트레인을 가진 SiV 중심이 1 K 이상의 온도에서 전자-광자 얽힘을 가능하게 할 수 있는가? 이는 극저온 냉각기의 의존도를 줄일 수 있는가?
• RQ2 SiV 기반 양자 노드에서 29Si 핵 스핀의 최대 공명 시간은 얼마이며, 2초를 초과할 수 있는가?
• RQ3 핵-광자 얽힘 작업 중 오류를 탐지하면서도 핵 스핀 공명을 유지할 수 있도록 전자 스핀을 플래그 큐비트로 사용할 수 있는가?
• RQ4 핵 스핀 디코herence가 1/e에 도달하기 이전에 전자 상태 읽기 작업을 몇 번 수행할 수 있으며, 어떤 파ameter 조합이 이 수치를 최대화하는가?
• RQ5 단계 기반 전자 스핀 읽기 기술이 핵 스핀 메모리의 열화 없이 여러 번의 재설정을 가능하게 하여 오류 탐지 프로토콜에서 반복 작업을 수행할 수 있는가?

주요 결과

• 29Si 핵 스핀 메모리의 공명 시간이 2초를 초과하여, 양자 반복기용 장수명 양자 메모리로서 적합함을 입증한다.
• 매우 높은 스트레인을 가진 SiV에서 전자 스핀-음향파 상호작용이 억제되어, 최대 1.5 K에서 전자-광자 얽힘을 달성한다.
• 최대 4.3 K에서 직접 핵-광자 얽힘을 실현하여, 양자 메모리 노드의 작동 온도 창을 크게 확장한다.
• 전자 스핀은 효과적인 플래그 큐비트로 기능하여, 핵-광자 얽힘 작업에서 고신뢰도로 통합 오류 탐지를 가능하게 한다.
• 핵 상태의 디코herence가 1/e에 도달하기 이전에 약 90회의 전자 상태 읽기 작업을 95%의 신뢰도로 수행할 수 있으며, 이는 측정에 의한 디코herence에 대한 높은 내성과 함께 반복 작업이 가능함을 시사한다.
• 레이저 주파수 및 공진기 파ameter의 최적화를 통해 전자 상태의 구분 가능성은 극대화하면서도 핵 디코herence는 최소화함으로써, 확장 가능한 반복 작업이 가능한 플랫폼을 실현한다.