[论文解读] A Quantum Repeater Platform based on Single SiV$^-$ Centers in Diamond with Cavity-Assisted, All-Optical Spin Access and Fast Coherent Driving

Gregor Bayer, Robert Berghaus+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种基于纳米钻石中单个硅空位（SiV⁻）中心与半球形法布里-珀罗微腔耦合的无源稳定量子中继平台。该平台实现了全光学、相干自旋控制，拉比频率达290 MHz，自旋初始化时间67 ns，保真度达80%，纯化因子为1.61，可在液氦温度下实现高效的自旋-光子接口，推动可扩展量子网络的发展。

ABSTRACT

Quantum key distribution enables secure communication based on the principles of quantum mechanics. The distance in fiber-based quantum communication is limited to about a hundred kilometers due to signal attenuation. Thus, quantum repeaters are required to establish large-scale quantum networks. Ideal quantum repeater nodes possess a quantum memory which is efficiently connected to photons, the carrier of quantum information. Color centers in diamond and, in particular, the negatively-charged silicon-vacancy centers are promising candidates to establish such nodes. The major obstacle is an inefficient connection between the color centers spin to the Gaussian optics of fiber networks. Here, we present an efficient spin-photon interface. Individual silicon-vacancy centers coupled to the mode of a hemispherical Fabry-Pérot microcavity show Purcell-factors larger than 1 when operated in a bath of liquid Helium. We demonstrate coherent optical driving with a Rabi frequency of $290\,\mathrm{MHz}$ and all-optical access to the electron spin in strong magnetic fields of up to $3.2\,\mathrm{T}$. Spin initialization within $67\,\mathrm{ns}$ with a fidelity of $80\,\%$ and a lifetime of $350\,\mathrm{ns}$ are reached inside the cavity. The spin-photon interface is passively stable, enabled by placing a color center containing nanodiamond in the hemispherical Fabry-Pérot mirror structure and by choosing short cavity lengths. Therefore, our demonstration opens the way to realize quantum repeater applications.

研究动机与目标

• 开发一种基于金刚石中色心的稳定、高效的自旋-光子接口，用于量子中继节点。
• 通过将SiV⁻中心与微腔耦合以实现纯化增强，克服金刚石中光-物质相互作用效率低下的挑战。
• 在强磁场（最高3.2 T）下实现快速、全光学的自旋初始化与相干驱动，以实现高保真度量子操作。
• 通过将纳米钻石集成到短长度、高精细度的腔体中，实现无源稳定性，降低技术复杂度。
• 通过匹配高斯模场分布并实现高光子收集效率，实现与光纤基量子网络兼容的平台。

提出的方法

• 将纳米钻石中的单个SiV⁻中心与半球形法布里-珀罗微腔的模式耦合，以增强光-物质相互作用。
• 使用可调谐激光对SiV⁻光学跃迁进行相干光学驱动，实现290 MHz的拉比频率。
• 通过67 ns脉冲的光学泵浦实现全光学自旋初始化，保真度达80%。
• 通过共振激发下的荧光衰减测量自旋寿命（T₁spin），在3.2 T磁场下测得350 ns。
• 采用短长度和高精细度的腔体，确保无源稳定性和高效的光子提取。
• 利用液氦浴维持低温运行，同时通过在纳米钻石中工程化局域声子态密度，实现在接近1 K温度下的运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在SiV⁻中心的金刚石中实现基于腔体辅助的全光学自旋-光子接口，具备高保真度和快速相干驱动？
• RQ2 在微腔中，强磁场环境下可实现的纯化因子和自旋寿命分别是多少？
• RQ3 通过将纳米钻石集成到短法布里-珀罗腔中，是否可在SiV⁻-金刚石量子中继节点中实现无源稳定性？
• RQ4 在强磁场下，全光学自旋初始化在亚100 ns时间尺度内可实现多高的保真度？
• RQ5 当腔体精细度提高且散射损耗降低时，系统的性能将如何变化？

主要发现

• 系统实现了290 MHz的拉比频率，用于SiV⁻跃迁的相干光学驱动，表明光-物质耦合较强。
• 测得的纯化因子下限为1.61，证明了辐射光子向腔模的增强发射。
• 在67 ns内完成自旋初始化，保真度达80%，可实现量子中继操作所需的快速初始化周期。
• 在3.2 T磁场下测得电子自旋寿命（T₁spin）为350 ns，受限于磁场对准误差和应变。
• 该平台实现了在强磁场下对SiV⁻电子自旋的全光学访问，无需微波控制。
• 理论预测表明，若腔体精细度提升至F = 10,000–50,000，光子提取效率可提升至69–90%，纯化因子可达3–12以上，从而实现更高带宽和更长的存储相干时间。