[논문 리뷰] Strain induced coupling and quantum information processing with hexagonal boron nitride quantum emitters

F. T. Tabesh, Q. Hassanzada외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 29.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 85인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 헥사곤형 붕소질화물 나노리본(BNNRs)에서 국소적 응력에 의해 유도된 굽힘 격자 진동수를 통해 붕소 공여체 색 중심이 연계된 응력 매개 양자 인터페이스를 제안한다. 밀도함수이론(DFT)을 기반으로 한 밀도함수이론 계산을 통해 저자들은 이러한 결함의 강한 응력 민감도를 입증하여, 다수의 큐비트 간에 견고하고 실온에서의 정상상태 얽힘을 가능하게 하고, 조절 가능한 그래프 상태를 실현하며, 딕-아이징 모형의 양자 시뮬레이션과 진동수 기반 초광섬 현상 관측에 잠재력을 지닌다.

ABSTRACT

We propose an electromechanical scheme where the electronic degrees of freedom of boron vacancy color centers hosted by a hexagonal boron nitride nanoribbon are coupled for quantum information processing. The mutual coupling of color centers is provided via their coupling to the mechanical motion of the ribbon, which in turn stems from the local strain. The coupling strengths are computed by performing ab-initio calculations. The density functional theory (DFT) results for boron vacancy centers on boron nitride monolayers reveal a huge strain susceptibility. In our analysis, we take into account the effect of all flexural modes and show that despite the thermal noise introduced through the vibrations one can achieve steady-state entanglement between two and more number of qubits that survives even at room temperature. Moreover, the entanglement is robust against mis-positioning of the color centers. The effective coupling of color centers is engineered by positioning them in the proper positions. Hence, one is able to tailor stationary graph states. Furthermore, we study the quantum simulation of the Dicke-Ising model and show that the phonon non-equilibrium phase transition occurs even for a finite number of color centers. Given the steady-state nature of the proposed scheme and accessibility of the electronic states through optical fields, our work paves the way for the realization of steady-state quantum information processing with color centers in hexagonal boron nitride membranes.

연구 동기 및 목표

• 헥사곤형 붕소질화물(hBN) 색 중심을 이용한 확장 가능하고 실온에서 작동하는 양자정보 플랫폼을 개발하기 위해.
• 색 중심의 높은 응력 민감도와 낮은 질량, 고품질의 기계적 진동자 조합을 통해 기존 시스템의 한계를 극복하기 위해.
• 음향파 매개 결합을 통해 먼 큐비트 간 장수명 정상상태 얽힘을 가능하게 하기 위해.
• 양자 미세측정을 위한 맞춤형 그래프 상태를 설계하기 위해.
• 유한한 시스템에서 딕-아이징 모형을 시뮬레이션하고 음향파 비평형 상전이를 관측하기 위해.

제안 방법

• hBN 단층에서 음성 전하를 띤 붕소 공여체 중심의 영진동선(ZPL) 에너지에 대한 응력 유도 이격을 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT) 및 제약된 점유 DFT(CDFT) 계산을 수행한다.
• 국소적 응력에 의해 자유진동하는 BNNR의 굽힘 진동 모드와 전자 큐비트 상태 간의 결합을 모델링하며, DFT 결과에서 유도된 결합 강도를 사용한다.
• 큐비트와 음향파 간의 상호작용을 기술하는 효과적 해밀토니안을 유도하며, 이는 공명 및 소산 동역학을 모두 포함한다.
• 진동 자유도를 제거하고 열 노이즈 하에서의 정상상태 동역학을 분석하기 위해 감소된 마스터 방정식 접근법을 사용한다.
• 열 진동수, 열 노이즈 등 실제 노이즈 원천을 고려한 수치 시뮬레이션을 수행하여 얽힘의 견고성 평가.
• 시스템 기하학을 설계하여 큐비트-큐비트 간 결합 강도를 조절함으로써 그래프 상태의 구조 제어 가능.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 hBN 나노리본 내 먼 붕소 공여체 색 중심 간의 응력 유도 결합이 실온에서 견고하고 정상상태 얽힘을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 이 음향파 매개 체계에서 열 노이즈는 얽힌 상태의 수명과 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 큐비트 간의 결합 강도를 발광체 붕괴 속도와 동일하거나 초월하도록 조절할 수 있는가? 이는 고정밀 양자 연산을 가능하게 하는가?
• RQ4 이 시스템은 얼마나 많은 큐비트를 포함한 유한한 수의 큐비트로 딕-아이징 모형을 시뮬레이션하고 음향파 기반 초광섬 현상을 나타낼 수 있는가?
• RQ5 공명 및 비공명 상호작용이 시뮬레이션된 딕-아이징 모형의 상전이에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• hBN 단층에서 음성 전하를 띤 붕소 공여체 결함은 큰 응력 민감도를 보이며, 아크메어 방향으로 1% 응력에 약 1.5 meV의 ZPL 이격를 나타내어 국소적 응력과 강한 결합을 이루고 있음을 시사한다.
• 열 노이즈가 존재하더라도 두 개 이상의 큐비트 간 정상상태 얽힘은 실온에서 실현 가능하며 지속 가능하다.
• 색 중심의 위치를 적절히 조절함으로써 큐비트-큐비트 간 결합 강도를 조절할 수 있어, 맞춤형 위상 구조를 가진 정적 그래프 상태를 설계할 수 있다.
• 조금만 큐비트가 존재하는 시스템에서도 딕-아이징 모형에서 음향파 기반 소산 초광섬 상전이를 지원한다.
• 색 중심의 위치 오차에 대해서도 시스템이 견고하여 실용적인 장치 구현 가능성을 입증한다.
• 수치 시뮬레이션은 제안된 체계가 양자 미세측정 및 양자 시뮬레이션 응용에 적합한 장수명 얽힘을 가능하게 함을 확인한다.