[논문 리뷰] A spin-optomechanical quantum interface enabled by an ultrasmall mechanical and optical mode volume cavity

Hamza Raniwala, Anand, Pratyush외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 14.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초소형 광학 및 기계 모드 부피를 갖춘 1D 다이아몬드 나노빔 옵티모메커니컬 캐비티를 제안하여 약 40 MHz의 스핀-음향 결합을 달성하는 스핀-옵티모메커니컬 인터페이스를 실현한다. 통신 파장 대역의 광자와 스핀 큐비트 사이를 기계 모드가 매개함으로써, 스핀을 직접 광학적으로 자극하지 않고도 양자 재생기에서 고정밀도 얽힘을 가능하게 하며, 스펙트럼 확산이 감소하여 최대 40 K에서 작동할 수 있다.

ABSTRACT

We propose a coherent mechanical interface between defect centers in diamond and telecom optical modes. Combining recent developments in spin-mechanical devices and optomechanical crystals, we introduce a 1D diamond nanobeam with embedded mechanical and electric field concentrator with mechanical and optical mode volumes $V_\mathrm{mech}/Λ_\mathrm{p}^3\sim 10^{-5}$ and $V_\mathrm{opt}/λ^3\sim 10^{-3} $, respectively. By placing a Group IV vacancy in the concentrator we demonstrate exquisitely high spin-mechanical coupling rates approaching 40 MHz, while retaining high acousto-optical couplings. We theoretically show that such a device, used in an entanglement heralding scheme, can provide high-fidelity Bell pairs between quantum repeaters. Using the mechanical interface as an intermediary between the optical and spin subsystems, we are able to directly use telecom optics, bypassing the native wavelength requirements of the spin. As the spin is never optically excited or addressed, we do not suffer from spectral diffusion and can operate at higher temperatures (up to 40 K), limited only by thermal losses. We estimate that based on these metrics, optomechanical devices with high spin-mechanical coupling will be a useful architecture for near-term quantum repeaters.

연구 동기 및 목표

• 다이아몬드 내 결함 스핀 큐비트와 통신 대역 광자 간의 응집적 결합을 기계 매개체를 통해 실현하는 스핀-옵티모메컬 인터페이스를 설계한다.
• 스펙트럼 확산 및 엄격한 온도 요구 조건 등 스핀 큐비트의 직접 광학적 접근 방식의 한계를 극복한다.
• 초소형 모드 부피를 갖춘 컴act하고 제작 가능한 장치에서 강력한 스핀-음향 결합을 실현하여 빛-물질 상호작용을 향상시킨다.
• 직접 스핀을 자극하지 않는 헤르드드(heralded) 방법을 통해 양자 네트워크에서 고정밀도 얽힘 분포를 실현한다.
• 강력한 스핀-기계 결합이 다이아몬드 기반 옵티모메컬 캐비티에서 달성 가능하며, 동시에 강력한 음향-광학 결합을 유지할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 광학 및 기계 모드를 중심 집중 영역에 고립시키기 위해 자기 유사성과 제곱형 변화를 갖는 1D 다이아몬드 나노빔 옵티모메컬 결정(OMC)을 설계한다.
• 광학 모드 부피 $V_{\text{opt}}/\lambda^3 \sim 10^{-3}$ 과 기계 모드 부피 $V_{\text{mech}}/\Lambda_{\text{p}}^3 \sim 10^{-5}$ 를 확보하여 국소 전기장 및 응력 농축을 극대화한다.
• 기계 집중 영역에 Group IV 공백 결함(예: SiV⁻)을 임베딩하여 응력 유도 수준 이동을 통한 강력한 스핀-음향 결합을 실현한다.
• 주파수 $\omega_p \approx \omega_a + \Omega$ 에서 작동하는 펌프 레이저를 사용하여 옵티모메컬 시스템을 구동하고, 광학 및 기계 모드 간의 매개 결합 $\hat{H}_{\text{om}} = \hbar g_{\text{om}} \hat{a}^\dagger \hat{a} (\hat{b}^\dagger + \hat{b})$ 를 유도한다.
• 두 캐비티의 광학 출력에 대한 공동 측정을 통해 엮인 상태를 생성하고, 이를 기계 모드로 전달한 후 스핀 큐비트로 전달하는 헤르드드 얽힘 프로토콜을 구현한다.
• 기계 모드를 양자 버스로 활용하여 스핀-광자 얽힘을 매개함으로써, 스핀을 고유한 광학 전이 상태에서 자극할 필요 없이 작동한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드 기반 초소형 모드 부피 옵티모메컬 캐비티는 높은 음향-광학 결합을 유지하면서 강력한 스핀-음향 결합을 실현할 수 있는가?
• RQ2 기계 모드가 스핀을 직접 광학적으로 자극하지 않고도 통신 대역 광자와 스핀 큐비트 사이의 견고한 양자 인터페이스로 기능할 수 있는가?
• RQ3 이러한 시스템에서 달성 가능한 최대 스핀-음향 결합 속도는 얼마이며, 기존 플랫폼과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ4 제안된 인터페이스는 상대적으로 높은 온도(최대 40 K)에서 고정밀도 얽힘 분포를 실현할 수 있는가?
• RQ5 이 인터페이스의 성능는 재료 플랫폼에 따라 어떻게 스케일링되며, 다이아몬드를 초월해 일반화 가능한가?

주요 결과

• SiV⁻ 결함에 대해 예측된 스핀-음향 결합 속도는 40 MHz로 이전의 옵티모메컬 인터페이스를 크게 초월한다.
• 광학 모드 부피는 $V_{\text{opt}}/\lambda^3 \sim 10^{-3}$ 이며, 기계 모드 부피는 $V_{\text{mech}}/\Lambda_{\text{p}}^3 \sim 10^{-5}$ 로, 강력한 국소 전기장 및 응력 강화를 가능하게 한다.
• 시스템은 28.7 THz의 광학 금속대와 2.41 GHz의 기계 금속대를 지원하여 안정적인 모드 고립을 보장한다.
• 기계 모드(5.34 GHz)와 광학 모드(197.5 THz)는 공간적으로 집중 영역에 국소화되어 있으며, 강력한 결합을 위한 높은 오버랩을 보인다.
• 헤르드드 얽힘 프로토콜을 통해 원거리 양자 메모리 간 고정밀도 벨 상태 생성이 가능하며, 기계 모드가 양자 버스로 작용한다.
• 스핀을 직접 자극하지 않아 스펙트럼 확산을 피할 수 있어, 열 손실에 의해 제한되는 바에야 최대 40 K에서 작동할 수 있다.