[論文レビュー] A Quantum Repeater Platform based on Single SiV$^-$ Centers in Diamond with Cavity-Assisted, All-Optical Spin Access and Fast Coherent Driving

Gregor Bayer, Robert Berghaus+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ナノダイヤモンドに封入された単一のケイ酸イオン空孔（SiV⁻）中心と半円形ファブリ・ペロ微小キャビティを結合させた、受動的安定性を有する量子リピーター・プラットフォームを提案する。全光的でコherentなスピン制御が実現され、ラビ周波数は290 MHz、スピン初期化は67 nsで80%の忠実度を達成し、パルゼル要因は1.61に達する。液体ヘリウム温度下で効率的なスピン光インターフェースを実現し、スケーラブルな量子ネットワークの実現に貢献する。

ABSTRACT

Quantum key distribution enables secure communication based on the principles of quantum mechanics. The distance in fiber-based quantum communication is limited to about a hundred kilometers due to signal attenuation. Thus, quantum repeaters are required to establish large-scale quantum networks. Ideal quantum repeater nodes possess a quantum memory which is efficiently connected to photons, the carrier of quantum information. Color centers in diamond and, in particular, the negatively-charged silicon-vacancy centers are promising candidates to establish such nodes. The major obstacle is an inefficient connection between the color centers spin to the Gaussian optics of fiber networks. Here, we present an efficient spin-photon interface. Individual silicon-vacancy centers coupled to the mode of a hemispherical Fabry-Pérot microcavity show Purcell-factors larger than 1 when operated in a bath of liquid Helium. We demonstrate coherent optical driving with a Rabi frequency of $290\,\mathrm{MHz}$ and all-optical access to the electron spin in strong magnetic fields of up to $3.2\,\mathrm{T}$. Spin initialization within $67\,\mathrm{ns}$ with a fidelity of $80\,\%$ and a lifetime of $350\,\mathrm{ns}$ are reached inside the cavity. The spin-photon interface is passively stable, enabled by placing a color center containing nanodiamond in the hemispherical Fabry-Pérot mirror structure and by choosing short cavity lengths. Therefore, our demonstration opens the way to realize quantum repeater applications.

研究の動機と目的

• 色中心を有するダイヤモンドを用いて、安定的かつ効率的なスピン光インターフェースを有する量子リピーター・ノードの開発を目的とする。
• SiV⁻中心を微小キャビティに結合させることでパルゼル増幅を実現し、ダイヤモンドにおける非効率的な光物質相互作用を克服することを目的とする。
• 強い磁場（最大3.2 T）下でも高速で全光的スピン初期化とコherentな駆動を可能とし、高忠実度の量子操作を実現することを目的とする。
• 短い高ファインネスのキャビティにナノダイヤモンドを統合することで受動的安定性を達成し、技術的複雑性を低減することを目的とする。
• ガウスモードプロファイルの一致と高い光子収率を実現することで、ファイバー基盤の量子ネットワークと互換性を持つプラットフォームを実現することを目的とする。

提案手法

• ナノダイヤモンドに封入された単一のSiV⁻中心を、半円形ファブリ・ペロ微小キャビティのモードに結合させ、光物質相互作用を強化する。
• 可変周波数レーザーを用いてSiV⁻の光学遷移をコherentに駆動し、290 MHzのラビ周波数を達成する。
• 67 nsパルスを用いた光学ポンピングにより全光的スピン初期化を実装し、80%の忠実度を達成する。
• 共鳴励起下での蛍光減衰を測定することでスピン寿命（T₁spin）を評価し、3.2 Tの磁場下で350 nsの値を測定する。
• 短い長さと高ファインネスのキャビティを用いることで、受動的安定性を確保するとともに、効率的な光子抽出を実現する。
• ナノダイヤモンド内の局所的フォノン状態密度の制御により、液体ヘリウムバスターブに加え、数ケルビンでの動作を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SiV⁻中心に封入されたダイヤモンドにおいて、キャビティ支援型で全光的スピン光インターフェースを高忠実度かつ高速なコherent駆動で実現できるか？
• RQ2 微小キャビティを用いた高磁場環境下で、達成可能なパルゼル要因とスピン寿命はどの程度か？
• RQ3 短いファブリ・ペロキャビティにナノダイヤモンドを統合することで、SiV⁻-ダイヤモンド量子リピーター・ノードにおける受動的安定性を達成できるか？
• RQ4 強い磁場下で、高忠実度かつ100 ns未満のタイミングで全光的スピン初期化をどの程度達成できるか？
• RQ5 キャビティのファインネスが向上し、散乱損失が低減した場合、システムの性能はどの程度向上するか？

主な発見

• SiV⁻遷移のコherentな光学駆動に対して290 MHzのラビ周波数を達成し、強い光物質結合を示している。
• パルゼル要因は下限として1.61に測定され、キャビティモードへの自発的放出が増幅されていることを示している。
• 67 nsで80%の忠実度を達成したスピン初期化により、量子リピーター・オペレーションに適した高速初期化サイクルが可能になった。
• 3.2 Tの磁場下で電子スピン寿命（T₁spin）は350 nsに測定され、磁場のずれと応力が主な制限要因である。
• 強い磁場下でもマイクロ波制御を必要とせず、全光的手段でSiV⁻電子スピンにアクセス可能である。
• 理論的予測では、キャビティのファインネスを向上（F = 10,000–50,000）させれば、光子抽出効率は69–90%に達し、パルゼル要因は3–12以上に上昇する。これにより帯域幅が拡大され、メモリのコherencyが延長される。