[論文レビュー] Strain induced coupling and quantum information processing with hexagonal boron nitride quantum emitters

F. T. Tabesh, Q. Hassanzada+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 85被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、六方晶窒化ホウ素ナノリブ (BNNRs) におけるボロン空位色中心が、局所的なひずみによって誘発される曲げフォノンを介して結合するひずみ駆動型量子インターフェースを提案する。第一原理的DFT計算を用いて、これらの欠陥の強いひずみ感受性を示し、多数のキュービット間で強固で室温安定なエンタングルメントを実現可能であり、調整可能なグラフ状態の構築が可能であることを示した。また、ディッケ＝イジング模型の量子シミュレーションやフォノン駆動型超放射現象の観測にも応用可能である。

ABSTRACT

We propose an electromechanical scheme where the electronic degrees of freedom of boron vacancy color centers hosted by a hexagonal boron nitride nanoribbon are coupled for quantum information processing. The mutual coupling of color centers is provided via their coupling to the mechanical motion of the ribbon, which in turn stems from the local strain. The coupling strengths are computed by performing ab-initio calculations. The density functional theory (DFT) results for boron vacancy centers on boron nitride monolayers reveal a huge strain susceptibility. In our analysis, we take into account the effect of all flexural modes and show that despite the thermal noise introduced through the vibrations one can achieve steady-state entanglement between two and more number of qubits that survives even at room temperature. Moreover, the entanglement is robust against mis-positioning of the color centers. The effective coupling of color centers is engineered by positioning them in the proper positions. Hence, one is able to tailor stationary graph states. Furthermore, we study the quantum simulation of the Dicke-Ising model and show that the phonon non-equilibrium phase transition occurs even for a finite number of color centers. Given the steady-state nature of the proposed scheme and accessibility of the electronic states through optical fields, our work paves the way for the realization of steady-state quantum information processing with color centers in hexagonal boron nitride membranes.

研究の動機と目的

• 六方晶窒化ホウ素 (hBN) の色中心を用いたスケーラブルで室温動作可能な量子情報プラットフォームの開発を目的とする。
• 既存のシステムの限界を克服するため、色中心の高いひずみ感受性と低質量・高品質な機械的共振器を組み合わせることを目的とする。
• フォノンを介した結合により、遠く離れたキュービット間で長寿命の安定状態エンタングルメントを実現することを目的とする。
• 量子メトロロジーに適したカスタマイズ可能なグラフ状態の設計を目的とする。
• ディッケ＝イジング模型をシミュレートし、有限系におけるフォノン非平衡相転移を観測することを目的とする。

提案手法

• hBN単層における負に帯電したボロン空位中心のゼロフォノン線 (ZPL) エネルギーのひずみ誘発シフトを計算するため、第一原理的密度汎関数理論 (DFT) および制限占有DFT (CDFT) を用いる。
• 局所的ひずみを介した電子キュービット状態と自由膜状BNNRsの曲げ振動モードとの結合をモデル化し、DFT結果から得られる結合強度を用いる。
• キュービットとフォノンの間の相互作用を記述する有効ハミルトニアンを導出する。ここには、コherentおよび散乱的ダイナミクスが含まれる。
• 振動自由度を削除するための縮約マスター方程式アプローチを用い、熱雑音下での安定状態ダイナミクスを解析する。
• 熱フォノンなどの実際の雑音源を含む数値的シミュレーションを実施し、エンタングルメントの耐障害性を評価する。
• システムの幾何形状を設計することで、キュービット間結合強度を調整し、グラフ状態の構造を制御可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 hBNナノリブにおける遠く離れたボロン空位色中心間のひずみ誘発結合が、室温でも強固で安定状態のエンタングルメントを実現可能か？
• RQ2 このフォノンを介した方式において、熱雑音がエンタングルド状態の寿命と忠実度に与える影響はいかほどか？
• RQ3 キュービット間の結合強度を、発光体の崩壊レートと同等以上に制御可能か。これにより、高忠実度の量子操作が可能になるか？
• RQ4 有限個のキュービットを用いた場合、この系がディッケ＝イジング模型をどの程度正確にシミュレートでき、フォノン駆動型超放射相転移を示せるか？
• RQ5 コherentおよび非coherentなキュービット間相互作用が、シミュレートされたディッケ＝イジング模型における相転移にどのように影響を与えるか？

主な発見

• hBN単層における負に帯電したボロン空位欠陥は、大きなひずみ感受性を示し、アームチェア方向に1%のひずみに対して約1.5 meVのZPLシフトを示しており、局所的ひずみに対して強い結合性を示す。
• 熱雑音が存在しても、2キュービット以上における安定状態エンタングルメントが実現可能であり、室温でも持続可能である。
• 色中心の配置を適切にすることで、キュービット間の結合強度を調整可能であり、カスタマイズ可能なトポロジを有する静的グラフ状態の設計が可能である。
• 有限個のキュービットを用いても、ディッケ＝イジング模型においてフォノン駆動型の散乱的超放射相転移を支持する。
• 色中心の位置決めのずれに対しても、本スキームは頑健であり、デバイス実装の実用的妥当性を示している。
• 数値的シミュレーションにより、提案されたスキームが、量子メトロロジーおよび量子シミュレーション応用に適した長寿命エンタングルメントを実現可能であることが確認された。