[論文レビュー] Measurement of the Berry Phase in a Single Solid-State Spin Qubit

Kai Zhang, Naufer Nusran+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2014

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ダイヤモンド中の窒素・バケーション（NV）センターを用いて、単一の固体スピン量子ビットにおけるベリー位相の最初の実験的測定を実現した。マイクロ波駆動の幾何的制御とスピンエコー干渉計測を用いて、著者らは理論的予測と優れた一致を確認した。その結果、デcoh erenceの主な原因は環境スピンバスタイムではなく、マイクロ波制御場強度の高速揺動であることが判明した。

ABSTRACT

We present measurements of the Berry Phase in a single solid-state spin qubit associated with the nitrogen-vacancy center in diamond. Our results demonstrate the remarkable degree of coherent control achievable in the presence of a highly complex solid-state environment. We manipulate the spin qubit geometrically by careful application of microwave radiation that creates an effective rotating magnetic field, and observe the resulting phase via spin-echo interferometry. We find good agreement with Berry's predictions within experimental errors. We also investigated the role of the environment on the geometric phase, and observed that unlike other solid-state qubit systems, the dephasing was primarily dominated by fast radial fluctuations in the path.

研究の動機と目的

• 複雑な非マルコフ的固体状態環境下において、単一固体スピン量子ビットで幾何的ベリー位相を実験的に測定すること。
• 環境ノイズが量子系における幾何位相のコheren ce に与える影響を調査すること。
• NVセンターのような現実的な固体状態プラットフォームにおける幾何的量子制御のロバスト性を検証すること。
• 特に制御場ノイズと環境スピンバスタイムの間で、デコherenceのメカニズムを区別すること。

提案手法

• マイクロ波放射を適用することで、有効な回転磁場を生成し、NVセンターのスピンをブロッホ球上で閉じた経路に沿って駆動することで、幾何位相を生成する。
• スピンエコー干渉計測を用いて蓄積位相を測定し、エコー系列によって動的位相をキャンセルし、幾何位相を分離する。
• 光学ポンプと532 nmの蛍光検出を用いて、系の初期化と読み出しを実施する。
• ガウス確率過程を用いて、デチューニングΔの高速揺動をモデル化し、実現の統計的平均を用いて位相減衰を計算する。
• 理論的モデリングでは、幾何位相を予測する式としてβ_g = Θ_Cを用い、Θ_C = 2π(1 − cosθ)は経路がなす立体角を表す。
• 断熱性、動的デコherence、キャンセレーション実験のシミュレーションを実施し、実験データと照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な環境条件下で、単一固体スピン量子ビットにおいてベリー位相を測定可能か？
• RQ2 複雑な固体状態環境は、量子系における幾何位相のコheren ce にどのように影響するか？
• RQ3 NVセンター量子ビットにおける幾何位相蓄積のデコherenceの主な要因は何か？
• RQ4 実験データは、ベリーの幾何位相に関する理論的予測とどの程度一致するか？
• RQ5 デコherenceにおいて、制御場ノイズが環境スピンバスタイムの影響を上回るか？

主な発見

• 測定されたベリー位相は、ベリーの理論的予測と優れた一致を示し、位相蓄積の幾何的性質が確認された。
• デコherenceは、周囲のスピンバスタイムとの結合よりも、主にマイクロ波制御場強度の高速揺動に起因している。
• 振幅ノイズによるシミュレートされた位相減衰は、実験的減衰 timescale と一致し、相対的揺動レベルはσ_Ω/Ω ≈ 10⁻³であった。
• エコー系列の各半周期における動的位相揺動は√2ラジアンに達し、観測された1/e減衰エンVELOPE を説明できる。
• 測定されたT₂（200 μs）からの予測されたベリー位相減衰は、実験的に観測された減衰よりもはるかに遅く、T₂が主因ではないことを示唆している。
• 断熱性、動的デコherence、キャンセレーション実験のシミュレーションはすべて実験データと一致し、モデルと測定プロトコルの妥当性が検証された。