[논문 리뷰] Deterministic Creation of Large Photonic Multipartite Entangled States with Group-IV Color Centers in Diamond

Gregor Pieplow, Yannick Strocka외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 06.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 텅실(스틴 바이오렌스, SnV)을 포함한 그룹-IV 색 중심(G4Vs)을 사용하여 대규모 광학 다중편재 얽힘 상태—특히 선형 클러스터 상태와 GHZ 상태—를 결정론적으로 생성하는 방법을 제안한다. 비공명 라만 스킴을 통해 빠르고 고신뢰도의 스핀 제어와 풀셀 증폭된 광자 방출을 구현함으로써, 99% 이상의 게이트 신뢰도와 최대 9 Hz의 상태 생성 속도(100광자 상태 기준)를 달성하여 확장 가능한 광학 양자 기술의 실현 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

Measurement-based quantum computation relies on single qubit measurements of large multipartite entangled states, so-called lattice-graph or cluster states. Graph states are also an important resource for quantum communication, where tree cluster states are a key resource for one-way quantum repeaters. A photonic realization of this kind of state would inherit many of the benefits of photonic platforms, such as very little dephasing due to weak environmental interactions and the well-developed infrastructure to route and measure photonic qubits. In this work, a linear cluster state and GHZ state generation scheme is developed for group-IV color centers. In particular, this article focuses on an in-depth investigation of the required control operations, including the coherent spin and excitation gates. We choose an off-resonant Raman scheme for the spin gates, which can be much faster than microwave control. We do not rely on a reduced level scheme and use efficient approximations to design high-fidelity Raman gates. We benchmark the spin-control and excitation scheme using the tin vacancy color center coupled to a cavity, assuming a realistic experimental setting. Additionally, the article investigates the fidelities of the Raman and excitation gates in the presence of radiative and non-radiative decay mechanisms. Finally, a quality measure is devised, which emphasizes the importance of fast and high-fidelity spin gates in the creation of large entangled photonic states.

연구 동기 및 목표

• 고체 상태 발광체를 이용한 대규모 광학 다중편재 얽힘 상태를 결정론적이고 확장 가능한 방식으로 생성하는 방법을 개발하기 위해.
• 그룹-IV 색 중심에서 마이크로파 제어의 한계를 극복하기 위해 고속의 전면 광학 라만 기반 스핀 게이트를 구현하기 위해.
• 실제의 비편재 메커니즘(방사성 및 비방사성 붕괴 포함) 하에서 스핀-광자 얽힘과 게이트 신뢰도를 최적화하기 위해.
• 확장 가능한 양자 정보 응용을 위해 빠르고 고신뢰도의 운영을 우선시하는 품질 측도를 수립하기 위해.
• 실제 실험 조건에서 대규모 클러스터 상태 및 GHZ 상태를 고신뢰도와 실용적인 속도로 생성할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 스핀 전환을 위해 비공명 라만 스킴과 가우시안 레이저 펄스를 사용하여 SnV 중심에서의 단일 큐비트 스핀 회전을 수행함으로써 느린 마이크로파 제어를 피함.
• 사시프 나노캐비티를 활용하여 원하는 전이에서 풀셀 효과를 증폭함으로써 광자 수확 효율성과 불변성 향상.
• 제임스 분열과 레이저 결합을 포함한 9레벨 해밀토니안을 사용하여 스핀 동역학을 모델링하고, 효율적인 게이트 최적화를 가능하게 하기 위해 근사치 적용.
• 마스터 방정식에 리라크션 과정(방사성 및 비방사성 붕괴 포함)을 통합하여 비편재 하에서의 실제 게이트 신뢰도를 시뮬레이션함.
• 임시 상태(특히 |7⟩ 및 |8⟩ 상태)에 대한 비표적 상태의 인구를 최소화하기 위해 수치 시뮬레이션을 통해 펄스 형상과 지속시간 최적화.
• 상태 신뢰도, 생성 속도, 시간적 크기를 균형 잡는 품질 측도를 도입하여 짧은 펄스를 선호함으로써 섬유 링크에서의 광자 손실 감소.

Figure 1: a) Sawfish cavity [ 25 ] creating Purcell enhancement of the desired transition indicated by the thick orange arrow in the level scheme (b). The control laser fields, which implement the spin gates, are indicated by the blue and magenta cones, which interact with a G4V at the center of the

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비공명 라만 제어가 다이아몬드의 그룹-IV 색 중심에서 마이크로파 기반 방법보다 높은 신뢰도의 단일 큐비트 게이트를 달성할 수 있는가?
• RQ2 방사성 및 비방사성 붕괴 과정이 SnV 시스템에서 스핀 및 흥 exciton 게이트의 신뢰도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 실제 실험 설정에서 게이트 신뢰도와 상태 생성 속도를 극대화하기 위해 최적의 펄스 지속시간과 자기장 강도는 무엇인가?
• RQ4 제안된 스킴이 신뢰도와 속도 측면에서 대규모 광학 다중편재 얽힘 상태(예: 100광자 선형 클러스터 상태)로 어떻게 확장 가능한가?
• RQ5 광자 수확 효율성은 이 스킴의 전체 성능과 확장 가능성에서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 8 T 자기장에서 π-회전 게이트의 신뢰도는 0.9988, 흥(excitation) 게이트의 신뢰도는 0.9984를 달성하여 비표적 상태의 임시 인구가 크게 감소함.
• 100광자 선형 클러스터 상태의 경우, 펄스 지속시간이 73.33 ps 이하일 때 품질 측도 Q(LCS,100) = 1.1 × 10⁻¹⁵에 도달하고 생성 속도는 9 Hz에 도달함.
• 총 결합 효율성 η에 따라 상태 생성 속도가 지수적으로 감소하며, η = 0.98일 경우 η_total(100) ≈ 0.13로 나타나 근접 단일 결합 효율성이 필요함을 시사함.
• 73.33 ps 이하의 펄스 지속시간이 최적의 상태 품질을 달성하며, 시간적 크기를 줄이고 섬유 유도 광자 손실을 최소화함.
• 레이저 펄스 강도에 1%의 편차가 있을 경우 약 4%의 게이트 신뢰도 감소가 발생하여 제어 필드의 비완전성에 대해 중간 수준의 내구성을 보임.
• 이 연구는 품질 최적화가 완전히 이루어지지 않은 상태에서도, 전면 광학 라만 제어를 통해 G4Vs를 이용한 고신뢰도, 결정론적 대규모 광학 다중편재 얽힘 상태 생성이 가능함을 입증함.

Figure 2: a) Level scheme of a G4V in the presence of a magnetic field ${\bf B}=B[\cos(\theta_{\rm dc}),0,\sin(\theta_{\rm dc})]$ (no strain). The carrier frequencies of the two laser fields are indicated by $\omega_{1}$ and $\omega_{2}$ . The magnetic field has to be of axis for optical Raman contr