[논문 리뷰] Solid-state platform for cooperative quantum dynamics driven by correlated emission

Xin Li, Jamir Marino외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 16.

Neural Networks and Reservoir ComputingComputer Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 자성 잔여체에 있는 스핀 결함을 이용한 고체 상태 플랫폼을 제안하여 관련 소산을 통한 협동 양자 역학을 가능하게 한다. 자성 빛자기파를 통한 소산적 상호작용을 활용함으로써, 저자들은 공간적 불규칙성과 열 변동 조건에서도 NV 중심에서 강건한 수퍼라디언스와 서브라디언스를 입증한다. 이는 스핀트로닉스와 양자 광학을 융합하는 확장 가능한 양자 기술의 기초를 마련한다.

ABSTRACT

While traditionally regarded as an obstacle to quantum coherence, recent breakthroughs in quantum optics have shown that the dissipative interaction of a qubit with its environment can be leveraged to protect quantum states and synthesize many-body entanglement. Inspired by this progress, here we set the stage for the -- yet uncharted -- exploration of analogous cooperative phenomena in hybrid solid-state platforms. We develop a comprehensive formalism for the quantum many-body dynamics of an ensemble of solid-state spin defects interacting with the magnetic field fluctuations of a common solid-state reservoir. Our framework applies to any solid-state reservoir whose fluctuating spin, pseudospin, or charge degrees of freedom generate magnetic fields. To understand whether correlations induced by dissipative processes can play a relevant role in a realistic experimental setup, we apply our model to a qubit array interacting via the spin fluctuations of a ferromagnetic bath. Our results show that the low-temperature collective relaxation rates of the qubit ensemble can display clear signatures of super- and subradiance, i.e., forms of cooperative dynamics traditionally achieved in atomic ensembles. We find that the solid-state analog of these cooperative phenomena is robust against spatial disorder in the qubit ensemble and thermal fluctuations of the magnetic reservoir, providing a route for their feasibility in near-term experiments. Our work lays the foundation for a multi-qubit approach to quantum sensing of solid-state systems and the direct generation of many-body entanglement in spin-defect ensembles. Furthermore, we discuss how the tunability of solid-state reservoirs opens up novel pathways for exploring cooperative phenomena in regimes beyond the reach of conventional quantum optics setups.

연구 동기 및 목표

• 공동 소산을 통해 공유된 자성 잔여체를 통한 고체 상태 스핀 시스템에서의 협동 양자 현상을 탐구하기 위해.
• 강한 국소적 소산으로 인해 양자 하이브리드 플랫폼에서의 확장 가능한 두 큐비트 게이트 구현에 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 이전에 광학 시스템에서 연구된 소산적 상관관계가 자성 빛자기파를 이용해 고체 상태 스핀 시스템에서 활용될 수 있는지 조사하기 위해.
• 실제 실험 조건에서 공간적 불규칙성과 열 변동에 대한 협동 양자 행동의 강건성을 평가하기 위해.
• 스핀트로닉스와 양자 광학을 융합하기 위한 기초를 마련하기 위해, 고체 상태 플랫폼에서 장거리 소산적 상관관계를 설계하기 위해.

제안 방법

• 공유된 고체 상태 잔여체의 자기장 변동을 통한 스핀 결함의 양자 다체 역학을 위한 일반적 형식을 개발하였다.
• 상관 소산을 통해 매개되는 효과적 큐비트-큐비트 상호작용을 수립하여, 단일 결함의 양자 센싱을 비국소적 시간 및 공간 상관관계 센싱으로 확장하였다.
• 조정 가능한 스핀파 분산과 밴드 갭을 가진 자성 박막 잔여체에 연결된 NV 중심의 시스템에 모델을 적용하였다.
• 보른-마코프 근사와 회전파 근사를 사용하여 집단적 붕괴 역학을 기술하는 마스터 방정식을 유도하였다.
• 마스터 방정식에 따른 밀도 행렬의 시간 진화를 시뮬레이션하여 집단적 붕괴 속도와 두 번째 차수 상관 함수를 분석하였다.
• T = 100 mK에서 수치적으로 마스터 방정식을 풀어 열적 영향을 통합하여 열적 강건성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공유 자성 잔여체 내에서 상관 소산을 통한 고체 상태 스핀 시스템에서 수퍼라디언스 및 서브라디언스와 같은 협동 양자 역학이 발생할 수 있는가?
• RQ2 공간적 불규칙성과 열 변동은 이러한 플랫폼에서 협동 양자 상태의 안정성과 관측 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 일般적으로 해로운 것으로 간주되는 소산 과정이 스핀 큐비트 어레이에서 장거리 entanglement와 비국소적 상관관계를 생성하는 데 얼마나 활용될 수 있는가?
• RQ4 빛자기파를 통한 소산적 상호작용은 기존 광학적 잔여체를 초월해 비유닛리안 다체 역학을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 분산 다체 시스템에서 구조적 잔여체를 가진 경우, 서브라디언트 이중 흥 excitations 상태의 페르미온화는 일반적인 특성인가?

주요 결과

• 스핀 결함의 주파수가 빛자기 밴드 갭을 초과할 경우, 자성 잔여체에 연결된 NV 중심의 집합에서 수퍼라디언트 및 서브라디언트 집단적 붕괴 속도가 나타난다.
• 적절한 매개변수 영역에서 집단적 역학의 명백한 징후, 즉 강화된(수퍼라디언트) 및 억제된(서브라디언트) 붕괴 속도가 관찰된다.
• 서브라디언트 상태는 이중 흥 excitations 만다울에서 페르미온 통계를 나타내며, 이는 구조적 잔여체를 가진 분산 다체 시스템의 일반적 특성임을 시사한다.
• 스핀 결함의 위치에 대한 공간적 불규칙성에 대해서도 협동 양자 행동이 강건함을 보이며, 실험적 비완전성에 대한 내성성을 나타낸다.
• T = 100 mK에서의 열 변동은 시간이 지남에 따라 두 번째 차수 상관 함수의 붕괴를 통해 다중 흥 excitations 상태에서의 페르미온 상관관계를 파괴한다.
• 이 프레임워크는 자기 노이즈의 비국소적 시간 및 공간 상관관계 감지를 가능하게 하여, 단일 결함 측정을 넘어서는 양자 센싱의 범위를 확장한다.