[논문 리뷰] Robust quantum-network memory based on spin qubits in isotopically engineered diamond

C. E. Bradley, Sébastian de Bone외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 18.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 이소토ropic하게 설계된 다이아몬드 내 단일 13C 핵스핀을 이용한 강건한 양자네트워크 메모리의 성능을 입증한다. 광학적 연결 운영 중 디코herence를 억제함으로써, 메모리는 이전 연구보다 두 개의 지수만큼 더 긴 10⁵개 이상의 얽힘 사이클 수명을 달성한다. 이는 높은 링크 효율성(η*_{link} ≈ 10)을 가능하게 하며, 결정적 두 큐비트 게이트와 네 노드 GHZ 상태 생성으로 이어지는 길을 열어준다.

ABSTRACT

Quantum networks can enable long-range quantum communication and modular quantum computation. A powerful approach is to use multi-qubit network nodes which provide the quantum memory and computational power to perform entanglement distillation, quantum error correction, and information processing. Nuclear spins associated with optically-active defects in diamond are promising qubits for this role. However, their dephasing during entanglement distribution across the optical network hinders scaling to larger systems. In this work, we show that a single 13C spin in isotopically engineered diamond offers a long-lived quantum memory that is robust to the optical link operation of an NV centre. The memory lifetime is improved by two orders-of-magnitude upon the state-of-the-art, and exceeds the best reported times for remote entanglement generation. We identify ionisation of the NV centre as a newly limiting decoherence mechanism. As a first step towards overcoming this limitation, we demonstrate that the nuclear spin state can be retrieved with high fidelity after a complete cycle of ionisation and recapture. Finally, we use numerical simulations to show that the combination of this improved memory lifetime with previously demonstrated entanglement links and gate operations can enable key primitives for quantum networks, such as deterministic non-local two-qubit logic operations and GHZ state creation across four network nodes. Our results pave the way for test-bed quantum networks capable of investigating complex algorithms and error correction.

연구 동기 및 목표

• 광학적 얽힘 분포 중 디코herence로 인한 짧은 수명을 가지는 양자 메모리 문제를 해결한다.
• 기존 다이아몬드 내 핵스핀 큐비트의 한계를 극복한다. 이는 반복적인 원거리 얽힘 운영 중 탈조화가 발생하기 때문이다.
• 여러 차례의 얽힘 생성 및 측정 사이클 동안 양자 상태를 유지할 수 있는 강건한 데이터 큐비트 시스템을 개발한다.
• 확장 가능한 양자 네트워크 프로토콜, 예를 들어 얽힘 정제 및 오류 수정을 지원하기 위해 높은 링크 효율성(η*_{link})을 실현한다.
• 네트워크 운영 중 NV 중심에서 발생하는 이온화를 새로운 디코herence 메커니즘으로 규명하고 이를 완화한다.

제안 방법

• 스핀-광자 인터페이스를 위해 다이아몬드 내에 이소토ropic하게 설계된 13C 핵스핀을 데이터 큐비트로 사용하고, 질소-빈약(NV) 중심과 결합한다.
• 디코herence 수명을 연장하기 위해 동적 분할 시퀀스를 통한 단일 스크린 읽기 및 조작을 수행한다.
• 자기장 안정성을 유지하고 스핀 운영에 영향을 주는 드리프트를 최소화하기 위해 피드백 안정화를 적용한다.
• 자기장 드리프트로 인해 스핀 품질이 악화된 데이터 런을 제거하기 위해 기준 측정 프로토콜을 구현한다.
• 이온화 및 디코herence 효과를 포함한 현실적인 조건에서 네트워크 성능을 모델링하기 위해 수치 시뮬레이션을 사용한다.
• 디코herence 데이터를 측정하여 스트레칭된 지수 함수를 사용해 피팅: F(t) = A·exp[−(t/T)^n], 다양한 조건에서 T₂* 및 T₁ 시간 상수를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이소토ropic하게 설계된 다이아몬드 내 단일 13C 핵스핀이 광학 네트워크 운영에 대해 강건한 장수명 양자 메모리로 기능할 수 있는가?
• RQ2 13C 스핀이 디코herence로 인해 성능이 제한되기 전까지 원거리 얽힘 사이클을 최대 몇 번까지 견딜 수 있는가?
• RQ3 NV 중심의 이온화가 핵스핀 메모리의 품질과 수명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 NV의 이온화 및 재포획 후 핵스핀 상태를 신뢰성 있게 복구할 수 있는가? 이는 고장 내성 운영을 가능하게 한다.
• RQ5 향상된 메모리 수명이 결정적 두 큐비트 게이트 및 다중노드 GHZ 상태 생성과 같은 고급 네트워크 프리미티브를 얼마나 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 13C 스핀 메모리의 수명은 10⁵개 이상의 얽힘 사이클을 초과하며, 최신 기술 대비 두 개의 지수만큼 향상된 성능을 보였다.
• 자유 유도 감쇠에서 NV 0 상태의 13C 스핀에 대한 효과적인 디코herence 시간 T₂*는 57(3) ms에 도달했으며, 스트레칭된 지수 피팅을 통해 강력한 공명이 확인되었다.
• NV 중심의 이온화가 새로운 제한 요소로 규명되었으며, 5% 임계값에서 특성 이온화 시간 상수는 약 ~3.0×10⁵ 사이클이었다.
• NV 이온화 및 재포획 후 높은 정밀도 상태 복구(교정된 값의 ≥75%)가 성공적으로 구현되어 이 과정에 대한 강건성을 확인했다.
• 수치 시뮬레이션 결과, 이러한 메모리 성능을 바탕으로 η*_{link} ≈ 10을 달성할 수 있으며, 이는 결정적 비국소 두 큐비트 게이트 및 네 노드 GHZ 상태 생성을 가능하게 한다.
• 반복적인 얽힘 운영 조건에서 측정된 13C 스핀의 T₂*는 N=8 사이클일 때 2.91(8) s에 도달했으며, 네트워크 운영 중 놀라운 안정성을 보였다.