[논문 리뷰] Matter and spin superposition in vacuum experiment (MASSIVE)

Sougato Bose, Gavin W. Morley|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 16.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 39인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 진공을 통과하는 동안 스핀 초위상 상태에 있는 질소빈공 중심을 가진 나노다이아몬드를 낙하시키는 방식으로 매크로스코픽 양자 초위상을 시험하기 위한 MASSIVE 실험을 제안한다. 10 K 이하로 냉각시켜 스핀 동기시간을 2 ms 에서 500 ms 로 연장함으로써, 1 μm 이상의 공간적 초위상이 가능해지며, 이는 이전에 가능했던 것보다 100배 이상 큰 거리이다. 또한 단일 측정에서 스핀 읽기 기능을 제공하고 실험 런 수를 10,000배 줄일 수 있다.

ABSTRACT

A free-falling nanodiamond containing a nitrogen vacancy centre in a spin superposition should experience a superposition of forces in an inhomogeneous magnetic field. We propose a practical design that brings the internal temperature of the diamond to under 10 K. This extends the expected spin coherence time from 2 ms to 500 ms, so the spatial superposition distance could be increased from 0.05 nm to over 1 $μ$m, for a 1 $μ$m diameter diamond and a magnetic inhomogeneity of only 10$^4$ T/m. The low temperature allows single-shot spin readout, reducing the number of nanodiamonds that need to be dropped by a factor of 10,000. We also propose solutions to a generic obstacle that would prevent such macroscopic superpositions.

연구 동기 및 목표

• 통제적이고 확장 가능한 실험에서 물질과 스핀의 매크로스코픽 양자 초위상을 입증하기 위해.
• 실온에서 나노다이아몬드의 스핀 동기시간이 짧은 것이 주요 장애물임을 극복하기 위해.
• 자기장 기울기가 10^4 T/m일 때, 나노다이아몬드의 공간적 초위상 거리를 0.05 nm 에서 1 μm 이상으로 연장하기 위해.
• 10 K 이하로 냉각하여 단일 측정 스핀 읽기 기능을 실현함으로써 실험에 필요한 반복 횟수를 극적으로 줄이기 위해.
• 이러한 시스템에서 매크로스코픽 초위상의 실현을 방해할 수 있는 일반적인 실험적 과제를 해결하기 위해.

제안 방법

• 1 μm 지름의 나노다이아몬드 내에 있는 질소빈공(NV) 중심을 스핀 상태의 초위상에 있는 큐비트로 사용한다.
• 내부 온도를 10 K 이하로 낮추기 위해 냉각 기술을 적용한다.
• 10^4 T/m의 기울기를 가진 비균일한 자기장을 적용하여 NV 중심의 스핀 초위상과 기계적 힘 초위상 간의 결합을 유도한다.
• 저온에서 연장된 스핀 동기시간(2 ms 에서 500 ms로 증가)을 활용하여 더 긴 자유낙하 시간과 더 큰 공간적 초위상을 허용한다.
• 각 실험의 결과를 단일 측정 스핀 읽기로 감지함으로써 기존의 앙상블 평균화 방식에 비해 필요한 나노다이아몬드 수를 10,000배 줄인다.
• 비가역성을 최소화하고 자유낙하 중 초위상을 유지하기 위해 진공 챔버 구조를 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀 초위상 상태에 있는 나노다이아몬드가 비균일한 자기장에서 일관된 힘의 초위상 상태를 경험할 수 있는가?
• RQ2 매크로스코픽 공간적 초위상을 가능하게 하기 위해 충분히 스핀 동기시간을 연장하기 위해 필요한 온도 저하 수준는 얼마인가?
• RQ3 10 K 이하 온도에서 나노다이아몬드에서 단일 측정 스핀 읽기를 달성할 수 있는가? 이는 실험적 부담을 줄이는 데 기여하는가?
• RQ4 10^4 T/m 자기장 기울기 조건에서 현실적인 실험 조건 하에서 도달 가능한 최대 공간적 초위상 거리는 얼마인가?
• RQ5 이러한 시스템에서 지배적인 비가역성 메커니즘은 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 나노다이아몬드를 10 K 이하로 냉각시켜 스핀 동기시간을 2 ms 에서 500 ms 로 연장함으로써 250배 향상되었다.
• 이 연장된 동기시간 덕분에 10^4 T/m 자기장 기울기 조건에서 1 μm 지름의 나노다이아몬드가 1 μm 이상의 공간적 초위상 거리를 확보할 수 있게 되었다.
• 향상된 동기시간과 단일 측정 읽기 기능 덕분에 기존의 앙상블 평균화 방식에 비해 실험 런 수를 10,000배 줄일 수 있었다.
• 제안된 설계는 주요 장애물인 열운동과 스핀 리콜랩소션으로 인한 비가역성 문제를 효과적으로 완화한다.
• 필요한 냉각 및 자기장 기울기 조건이 현재 실험 기술로 구현 가능한 수준이므로 실험이 기술적으로 실현 가능하다.
• 냉각 작동과 다이아몬드 내 NV 중심의 본질적 안정성 덕분에 일반적인 비가역성 요인에 대해 시스템이 강건하다.