[論文レビュー] Robust multi-qubit quantum network node with integrated error detection

Pieter-Jan Stas, Yan Qi Huan+16 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ダイヤモンドナノフォトニクスキャビティ内のケイ素バケーション（SiV）センターを用いた、耐障害性に優れた統合二量子ビット量子ネットワークノードを提案する。SiVの電子スピンを通信量子ビットとして、29Si核スピンを2秒を超えるコherencesを持つ長寿命メモリ量子ビットとして用いる。高いひずみをかけたSiVを用いることで電子スピン-フォノン結合を抑制し、1.5 Kまでで電子光エンタングルメントを実現。また、4.3 Kまでで直接核スピン-光エンタングルメントを達成。さらに、電子スピンをフラグ量子ビットとして用いることで効率的な誤り検出を実現し、スケーラブルな量子リピーター構造を可能にする。

ABSTRACT

Long-distance quantum communication and networking require quantum memory nodes with efficient optical interfaces and long memory times. We report the realization of an integrated two-qubit network node based on silicon-vacancy centers (SiVs) in diamond nanophotonic cavities. Our qubit register consists of the SiV electron spin acting as a communication qubit and the strongly coupled 29Si nuclear spin acting as a memory qubit with a quantum memory time exceeding two seconds. By using a highly strained SiV with suppressed electron spin-phonon interactions, we realize electron-photon entangling gates at elevated temperatures up to 1.5 K and nucleus-photon entangling gates up to 4.3 K. Finally, we demonstrate efficient error detection in nuclear spin-photon gates by using the electron spin as a flag qubit, making this platform a promising candidate for scalable quantum repeaters.

研究の動機と目的

• 長寿命量子メモリと効率的な光インターフェースを備えた、スケーラブルで統合された量子ネットワークノードの開発。
• 電子スピン-フォノン結合を抑制した高ひずみSiVセンターを設計することで、フォノン誘発デコherenceを克服する。
• 実用的な量子リピーター動作を可能とするために、高温（最大4.3 K）で核スピンと光の決定的かつ高保真度のエンタングルメントを実現する。
• 電子スピンをフラグ量子ビットとして用いることで、核光エンタングルメント操作における誤りを検出・是正する統合誤り検出を実装する。
• 核メモリのデコherenceが1/eに達するまでの間、90回を超える電子状態の読み出しを実現し、劣化を伴わずに繰り返し操作が可能であるプラットフォームの実証。

提案手法

• ダイヤモンドナノフォトニクスキャビティ内にケイ素バケーション（SiV）センターを用い、29Si核スピンを長寿命メモリ量子ビット、SiV電子スピンを通信量子ビットとして利用する。
• 高いひずみをかけたSiVを用いることで電子スピン-フォノン結合を低減し、高温（電子光エンタングルメントでは最大1.5 K、核光エンタングルメントでは最大4.3 K）での動作を実現する。
• 電子スピンの位相ベース読み出し技術を適用し、選択的読み出しと複数回のリセットが可能であり、核スピンメモリへの劣化を防ぐ。
• 反射光におけるスピン依存位相シフトを測定することで、電子スピンをフラグ量子ビットとして用い、核光エンタングルメント操作における誤りを検出する。
• レーザー周波数を最適化し、電子状態の区別能と核状態のデコherenceの比を最大化することで、読み出しによる情報損失を最小限に抑える。
• 可調節結合パラメータ（g、κ_in、κ_tot）と磁場調整を用いたキャビティ-QEDアーキテクチャを採用し、核デコherenceが1/eに達するまでの電子読み出し回数を最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノフォトニクスキャビティ内に封入された高ひずみSiVセンターは、1 Kを超える温度で電子光エンタングルメントを実現可能であり、ドライバーフリーザーの依存を軽減できるか？
• RQ2 SiVベースの量子ノードにおける29Si核スピンの最大コherences時間はどの程度であり、2秒を超えるか？
• RQ3 核光エンタングルメント操作における誤りを検出する際、核コherencesを保ちながら電子スピンをフラグ量子ビットとして効果的に使用できるか？
• RQ4 核スピンデコherenceが1/eに達するまでの電子状態読み出し回数はいくつであり、どのようなパラメータがこの値を最大化するか？
• RQ5 位相ベースの電子スピン読み出しは、核スピンメモリへの劣化を伴わずに複数回のリセットを可能とし、誤り検出プロトコルにおける繰り返し操作を可能にするか？

主な発見

• 29Si核スピンメモリのコherences時間は2秒を超えることを確認し、量子リピーターに適した長寿命量子メモリであることを示した。
• 高ひずみSiVによる電子スピン-フォノン結合の低減により、1.5 Kまでで電子光エンタングルメントが達成された。
• 4.3 Kまでで直接核スピン-光エンタングルメントが実証され、量子メモリノードの運用温度範囲が顕著に拡大された。
• 電子スピンは効果的なフラグ量子ビットとして機能し、核光エンタングルメント操作における統合誤り検出を高保真度で実現した。
• 核状態のデコherenceが1/eに達するまでの間、約90回の電子状態読み出し（95%の保真度）が可能であり、測定誘発デコherenceに対して高い耐性を示した。
• レーザー周波数およびキャビティパラメータの最適化により、電子状態の区別能を最大化するとともに核デコherenceを最小限に抑え、スケーラブルかつ繰り返し可能な操作が可能となった。