[論文レビュー] Heralded entanglement between solid-state qubits separated by 3 meters

Hannes Bernien, Bas Hensen+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2012

Quantum Mechanics and Applications被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、スピン光子もつれと光子干渉を介してスピンをもつれるようにするプロトコルを用いて、3メートル離れたダイヤモンド内の2つの電子スピン量子ビット間で予報もつれを実証した。実験ではベル状態|ψ⁻⟩の保真度が75%に達し、長寿命の量子メモリと遠隔もつれを備えたスケーラブルな固体状態量子ネットワークへの重要な一歩を示した。

ABSTRACT

Quantum entanglement between spatially separated objects is one of the most intriguing phenomena in physics. The outcomes of independent measurements on entangled objects show correlations that cannot be explained by classical physics. Besides being of fundamental interest, entanglement is a unique resource for quantum information processing and communication. Entangled qubits can be used to establish private information or implement quantum logical gates. Such capabilities are particularly useful when the entangled qubits are spatially separated, opening the opportunity to create highly connected quantum networks or extend quantum cryptography to long distances. Here we present a key experiment towards the realization of long-distance quantum networks with solid-state quantum registers. We have entangled two electron spin qubits in diamond that are separated by a three-meter distance. We establish this entanglement using a robust protocol based on local creation of spin-photon entanglement and a subsequent joint measurement of the photons. Detection of the photons heralds the projection of the spin qubits onto an entangled state. We verify the resulting non-local quantum correlations by performing single-shot readout on the qubits in different bases. The long-distance entanglement reported here can be combined with recently achieved initialization, readout and entanglement operations on local long-lived nuclear spin registers, enabling deterministic long-distance teleportation, quantum repeaters and extended quantum networks.

研究の動機と目的

• スケーラブルで予報可能なプロトコルを用いて、固体状態量子ビット間で長距離もつれを確立すること。
• ダイヤモンド内の電子スピン量子ビットが光ファイバーを介してマクロな距離にわたりもつれることを実証すること。
• 長寿命の核スピンレジスタと遠隔スピンもつれを組み合わせ、将来的な量子ネットワークを実現すること。
• 共鳴光学制御とフィードバックベースの安定化を用いて高保真度のもつれを達成すること。
• デ coherent と光子損失を克服することで、固体状態系が量子ネットワークに実現可能であることを検証すること。

提案手法

• 電子スピン量子ビットとして、超純粋なダイヤモンド内の2つの窒素・欠陥（NV）中心を用い、ms = 0およびms = -1状態にエンコードする。
• オンチップストリップラインを介したマイクロ波パルスを用いて、各量子ビットを重ね合わせ状態に準備する。
• 2 nsの共鳴レーザーパルスを用いて、各NV中心から発生する光子と電子スピンとのもつれを生成する。
• 両方のNV中心から発生する光子をファイバー結合ビームスプリッタに重ね合わせ、出力ポートで検出することでベル状態測定を実行する。
• 両出力ポートに1つずつ光子が検出されると、2つの遠隔スピンがベル状態に射影されたことが予報される。
• 複数の基底におけるシングルショットスピン読み出しにより、非局所的量子相関が確認され、保真度の推定が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3メートル離れた固体状態量子ビット間で、光ファイバーを介したもつれを信頼性高く生成できるか？
• RQ2 ダイヤモンド内の遠隔電子スピン間で予報もつれを達成する際、得られる最大保真度はどの程度か？
• RQ3 光子の同一性と実験的誤差は、遠隔もつれの保真度と成功確率にどのように制限をもたらすか？
• RQ4 長寿命の核スピンレジスタを、遠隔スピンと量子メモリおよび処理に使用可能な形でコherently接続できるか？
• RQ5 光子収率の向上とデコherenceの低減を図ることで、成功確率と保真度はどの程度向上できるか？

主な発見

• ベル状態|ψ⁻⟩の保真度が75%に達し、|ψ⁺⟩では64%に達した。非古典的相関が確認された。
• NVスピン量子ビットのコherence時間は14.3 msを超えており、固体中で報告された中で最長の単一電子スピンの記録である。
• もつれプロトコルの成功確率は10⁻⁷と推定され、平均して10分に1回の割合でもつれイベントが発生した。
• 光子の同一性が主な誤差要因であることが特定され、高保真度制御と読み出しにもかかわらず保真度が制限された。
• 検出器のアフターパルスが相関を歪め、特に|ψ⁺⟩状態に影響を与え、保真度を低下させた。
• 今後の改善策として、光学キャビティ、同素体で純化されたダイヤモンド、低温化により、光子の同一性と保真度を顕著に向上できると期待される。