[论文解读] The silicon vacancy centers in SiC: determination of intrinsic spin dynamics for integrated quantum photonics

Di Liu, Florian Kaiser+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2023

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 6

一句话总结

本文通过详细的电子精细结构建模，包括系间窜越和去屏蔽机制，确定了4H-SiC中带负电的硅空位（V_Si⁻）中心的本征自旋动力学。通过测量自旋选择性的辐射和非辐射衰变速率，作者实现了集成量子光子器件的优化设计，证明了利用现有纳米光子腔可实际生成最多三光子GHZ和簇态。

ABSTRACT

The negatively-charged silicon vacancy center ($ m V_{Si}^-$) in silicon carbide (SiC) is an emerging color center for quantum technology covering quantum sensing, communication, and computing. Yet, limited information currently available on the internal spin-optical dynamics of these color centers prevents us achieving the optimal operation conditions and reaching the maximum performance especially when integrated within quantum photonics. Here, we establish all the relevant intrinsic spin dynamics of negatively charged $ m V_{Si}^-$ center in 4H-SiC by an in-depth electronic fine structure modeling including intersystem-crossing and deshelving mechanisms. With carefully designed spin-dependent measurements, we obtain all previously unknown spin-selective radiative and non-radiative decay rates. To showcase the relevance of our work for integrated quantum photonics, we use the obtained rates to propose a realistic implementation of time-bin entangled multi-photon GHZ and cluster state generation. We find that up to 3-photon GHZ/cluster states are readily within reach using the existing nanophotonic cavity technology.

研究动机与目标

• 解决4H-SiC中V_Si⁻中心的本征自旋-光学动力学问题，尽管其在量子技术中具有巨大潜力，但其动力学机制仍不甚明了。
• 识别并量化V_Si⁻中心的自旋选择性辐射和非辐射衰变速率，这对优化量子器件性能至关重要。
• 通过提供实验验证的参数，实现V_Si⁻中心在量子光子电路中的实际集成，以支持器件设计。
• 证明利用V_Si⁻中心在纳米光子腔中生成时间-比特纠缠的多光子GHZ和簇态的可行性。
• 通过解决自旋动力学中的长期限制，为基于SiC色心的可扩展片上量子光子学奠定基础。

提出的方法

• 对4H-SiC中V_Si⁻中心进行深入的电子精细结构建模，包括系间窜越和去屏蔽路径。
• 通过精心设计的自旋依赖性光学测量，提取V_Si⁻中心的自旋选择性辐射和非辐射衰变速率。
• 利用测得的衰变速率模拟并评估时间-比特纠缠多光子态生成的性能。
• 利用现有纳米光子腔技术，模拟量子光子电路中实际的集成场景。
• 应用量子光学建模，评估生成最多三光子的GHZ和簇态的可行性。
• 通过与实验数据对比验证理论预测，确保所提取的自旋动力学参数的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 4H-SiC中V_Si⁻中心的完整本征自旋动力学，包括系间窜越和去屏蔽机制是什么？
• RQ2 V_Si⁻中心的自旋选择性辐射和非辐射衰变速率是多少？它们如何影响量子态制备？
• RQ3 如何利用测得的自旋动力学实现在集成光子平台中高效生成时间-比特纠缠多光子态？
• RQ4 现有纳米光子腔技术在多大程度上可支持利用V_Si⁻中心生成多光子纠缠态？
• RQ5 在实际集成光子条件下，使用SiC中V_Si⁻中心最多可相干纠缠多少光子？

主要发现

• 本研究实验测定了4H-SiC中V_Si⁻中心的所有自旋选择性辐射和非辐射衰变速率，解决了此前未知的动力学机制。
• 系间窜越和去屏蔽机制被确认为影响V_Si⁻中心自旋弛豫和光学性质的关键路径。
• 测得的自旋动力学为在集成光子电路中实现时间-比特纠缠多光子态生成提供了现实可行的设计方案。
• 利用现有纳米光子腔技术，可高保真度地生成最多三光子GHZ和簇态。
• 研究结果为优化基于V_Si⁻的量子器件在传感、通信和计算应用中的性能提供了定量基础。
• 本工作通过填补自旋动力学领域关键的知识空白，为基于SiC色心的可扩展片上量子光子学铺平了道路。