[论文解读] Hyperfine spectroscopy and fast, all-optical arbitrary state initialization and readout of a single, ten-level ${}^{73}$Ge vacancy nuclear spin qudit in diamond

Chris Adambukulam, Brett C. Johnson+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2023

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science被引用 3

一句话总结

该论文通过相干布居囚禁（CPT）技术，实现了在金刚石中73Ge空位缺陷内对十级核自旋量子比特的全光、超快初始化与读出。作者解析了I=9/2 73Ge核的超精细结构，实现了约84%的微秒级初始化保真度，并建立了一个无需微波或射频场的全光学、高保真度量子存储与自旋-光子接口平台。

ABSTRACT

A high-spin nucleus coupled to a color center can act as a long-lived memory qudit in a spin-photon interface. The germanium vacancy (GeV) in diamond has attracted recent attention due to its excellent spectral properties and provides access to the ten-dimensional Hilbert space of the $I=9/2$ ${}^{73}$Ge nucleus. Here, we observe the ${}^{73}$GeV hyperfine structure, perform nuclear spin readout, and optically initialize the ${}^{73}$Ge spin into any eigenstate on a $μ$s timescale and with a fidelity of up to $\sim 84\%$. Our results establish the ${}^{73}$GeV as an optically addressable high-spin quantum platform for a high-efficiency spin-photon interface as well as for foundational quantum physics and metrology.

研究动机与目标

• 将金刚石中的73Ge空位（GeV）缺陷确立为全光学可寻址、高自旋核量子比特平台，具有十维希尔伯特空间。
• 克服低旋磁比与大希尔伯特空间带来的挑战，实现在无需微波或射频场条件下的高自旋核初始化与读出。
• 展示基于相干布居囚禁（CPT）的超精细光谱、态读出与单缺陷中73Ge核自旋的快速初始化。
• 为量子存储、量子网络与基础量子物理应用，实现高保真度、全光学控制核自旋量子比特。
• 通过利用73Ge核自旋的长相干时间及其光学可寻址性，提供一种可扩展的本征量子存储平台。

提出的方法

• 采用两束红失谐激光的相干布居囚禁（CPT）技术，相干耦合GeV的基态与激发态，实现对73Ge核10个超精细能级的分辨。
• 利用脉冲CPT技术通过检测荧光实现核自旋态的读出，通过多轮测量的信号积分以提高检测保真度。
• 利用核自旋不守恒的光学弛豫过程，实现微秒 timescale 内将73Ge自旋快速、全光学初始化至其10个本征态中的任意一个。
• 通过扫掠激光失谐δ并调节外加磁场B₀，实现超精细光谱测量，映射出对应于|m_I⟩ = -9/2至+9/2态的10个独立CPT深谷。
• 通过最小化失谐误差与功率展宽优化初始化保真度，并识别出T₂*和同位素纯化为未来改进的关键因素。
• 计算了应变对超精细劈裂的影响，并与实验测得的A∥ ≈ 37 MHz进行对比，验证了超精细相互作用强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用全光学CPT技术解析GeV缺陷中十级73Ge核自旋的超精细结构？
• RQ2 能否在无需微波或射频场的条件下，实现对73Ge核自旋本征态的快速、高保真度全光学初始化？
• RQ3 核自旋扩散在本系统中对CPT基读出与初始化保真度的限制作用是什么？
• RQ4 光学弛豫过程如何实现核自旋的快速初始化？其保真度的根本限制因素是什么？
• RQ5 73Ge空位缺陷能否作为可扩展、本征性、全光学的量子存储平台，用于量子网络中的自旋-光子接口？

主要发现

• 实验测得GeV缺陷中73Ge核的超精细劈裂为A∥ ≈ 37 MHz，与理论预测一致。
• 通过CPT光谱技术成功分辨出I = 9/2 73Ge核的10个独立超精细能级，每个深谷对应从|−9/2⟩到|+9/2⟩的唯一|m_I⟩本征态。
• 利用脉冲CPT实现核自旋读出，通过荧光检测实现态分辨，尽管单次测量的光子数低于1，这是由于核自旋扩散较快所致。
• 在微秒 timescale 内实现了73Ge核自旋向任意本征态的全光学初始化，最大保真度达约84%，受限于失谐误差与功率展宽。
• 初始化保真度的根本限制因素为光学寿命与电子T₂*相干时间，未来可通过同位素纯化与将B₀沿[111]轴对齐进一步提升。
• 该系统实现了对高自旋核量子比特的快速全光学控制，无需射频控制，为量子信息处理与精密测量提供了可扩展平台。