[논문 리뷰] Spin-mechanics with color centers in hexagonal boron nitride membranes

Mehdi Abdi, Myung-Joong Hwang외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 03.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 휴대형 헥사곤형 붕소질화물(hBN) 막에 있는 색 중심을 이용한 스핀-기계 시스템을 제안하여 강한 스핀-운동 상호작용을 가능하게 한다. 군 이론과 밀도함수이론 계산을 활용하여 기계 진동자에서 기본 상태 냉각과 스핀 큐비트 제어를 위한 도구상자를 구현함으로써, 초강한 비공명 상태에서의 상호작용를 통해 다성분 캣 상태 및 양자 압축 상태를 빠르고 노이즈에 강건하게 준비할 수 있으며, 이는 음향파 슈퍼방사상전이를 실현할 가능성을 지닌다.

ABSTRACT

Recently observed quantum emitters in hexagonal boron nitride (hBN) membranes have a potential for achieving high accessibility and controllability thanks to the lower spatial dimension. Moreover, these objects naturally have a high sensitivity to vibrations of the hosting membrane due to its low mass density and high elasticity modulus. Here, we propose and analyze a spin-mechanical system based on color centers in a suspended hBN mechanical resonator. Through group theoretical analyses and ab initio calculation of the electronic and spin properties of such a system, we identify a spin doublet ground state and demonstrate that a spin-motion interaction can be engineered which enables ground state cooling of the mechanical resonator. We also present a toolbox for initialization, rotation, and readout of the defect spin qubit. As a result the proposed setup presents the possibility for studying a wide range of physics. To illustrate its assets, we show that a fast and noise resilient preparation of a multicomponent cat state and a squeezed state of the mechanical resonator is possible; the latter is achieved by realizing the extremely detuned, ultrastrong coupling regime of the Rabi model, where a phonon superradiant phase transition is expected to occur.

연구 동기 및 목표

• 휴대형 hBN 막에 있는 색 중심을 이용한 확장 가능하고 고코herence를 갖춘 양자 스핀-기계 시스템 플랫폼을 개발한다.
• 낮은 질량과 높은 탄성율을 지닌 기계 진동자를 통해 강한 스핀-운동 상호작용을 실현하여 스핀과 운동의 양자 제어를 가능하게 한다.
• 환경 노이즈에 강건한 방식으로 결함 스핀 큐비트의 초기화, 회전, 읽기 기능을 갖춘 도구상자를 설계한다.
• 기계적으로 구동되는 시스템에서 Rabi 모델의 초강한 결합 영역을 탐색하며, 음향파 슈퍼방사상전이가 나타날 수 있도록 한다.

제안 방법

• 군 이론 분석을 통해 hBN 막 내 색 중심에서 스핀 더블렛 기본 상태를 규명한다.
• 전자 및 스핀 성질을 규명하기 위해 밀도함수이론 계산을 수행한다.
• 낮은 밀도와 높은 탄성율 덕분에 기계 진동자가 진동 모드에 매우 민감한 특성을 활용하여 스핀-운동 상호작용을 설계한다.
• 맞춤형 전자기장으로 스핀 큐비트의 초기화, 회전, 읽기 기능을 제어하는 제어 프로토콜을 설계한다.
• 비공진 상태에서의 초강한 결합 영역에서 비파erturbative 양자 효과를 가능하게 하기 위해 Rabi 모델의 극도로 비공진 상태를 운영한다.
• 고품질 인자와 낮은 에너지 손실을 지닌 기계 진동자를 활용하여 기본 상태 냉각과 공명 상태 준비를 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 휴대형 hBN 막에 있는 색 중심이 큐비트 인코딩에 적합한 스핀 더블렛 기본 상태를 지닐 수 있는가?
• RQ2 이중 차원, 저질량 기계 진동자에서 스핀-운동 얽힘을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 환경 노이즈가 존재하는 상황에서 스핀 큐비트의 초기화, 회전, 읽기 기능을 강건하게 수행할 수 있는 제어 프로토콜은 무엇인가?
• RQ4 이 시스템에서 Rabi 모델의 초강한 비공진 상태 결합 영역을 실현할 수 있는가? 이는 새로운 양자 상을 탐색할 수 있는가?
• RQ5 기계 진동자의 다성분 캣 상태 및 압축 상태를 신속하고 노이즈에 강건하게 준비할 수 있는가?

주요 결과

• 군 이론 및 밀도함수이론 분석을 통해 시스템이 스핀 더블렛 기본 상태를 지닌다. 이는 큐비트 인코딩에 적합하다.
• 휴대형 hBN 막의 높은 기계적 민감도 덕분에 스핀-운동 상호작용이 효과적으로 설계되어 진동 모드와의 강한 상호작용이 가능하다.
• 설계된 스핀-운동 상호작용을 통해 기계 진동자의 기본 상태 냉각이 가능하다.
• 초기화, 회전, 읽기 기능을 모두 포함한 스핀 큐비트 제어 도구상자가 구현되었으며, 노이즈에 강건하다.
• 시스템의 높은 코herence와 제어 정밀도 덕분에 다성분 캣 상태의 빠르고 노이즈에 강건한 준비가 가능하다.
• Rabi 모델의 초강한 비공진 상태 결합 영역에 접근함으로써 기계 진동자의 압축 상태를 생성할 수 있으며, 이는 음향파 슈퍼방사상전이가 예상되는 영역이다.