[论文解读] A spin-optomechanical quantum interface enabled by an ultrasmall mechanical and optical mode volume cavity

Hamza Raniwala, Anand, Pratyush+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种一维金刚石纳米梁光机械腔，具有超小的光模和机械模模式体积，实现了约40 MHz的自旋-声子耦合的自旋-光机械接口。通过使用机械模式作为电信波段光子与自旋量子比特之间的媒介，该方案可在不光学激发自旋的情况下实现量子中继器中的高保真度纠缠，且可在高达40 K的温度下运行，同时减少光谱扩散的影响。

ABSTRACT

We propose a coherent mechanical interface between defect centers in diamond and telecom optical modes. Combining recent developments in spin-mechanical devices and optomechanical crystals, we introduce a 1D diamond nanobeam with embedded mechanical and electric field concentrator with mechanical and optical mode volumes $V_\mathrm{mech}/Λ_\mathrm{p}^3\sim 10^{-5}$ and $V_\mathrm{opt}/λ^3\sim 10^{-3} $, respectively. By placing a Group IV vacancy in the concentrator we demonstrate exquisitely high spin-mechanical coupling rates approaching 40 MHz, while retaining high acousto-optical couplings. We theoretically show that such a device, used in an entanglement heralding scheme, can provide high-fidelity Bell pairs between quantum repeaters. Using the mechanical interface as an intermediary between the optical and spin subsystems, we are able to directly use telecom optics, bypassing the native wavelength requirements of the spin. As the spin is never optically excited or addressed, we do not suffer from spectral diffusion and can operate at higher temperatures (up to 40 K), limited only by thermal losses. We estimate that based on these metrics, optomechanical devices with high spin-mechanical coupling will be a useful architecture for near-term quantum repeaters.

研究动机与目标

• 设计一种自旋-光机械接口，通过机械媒介实现金刚石中缺陷自旋量子比特与电信波段光学光子之间的相干耦合。
• 克服直接光学地址化自旋量子比特的局限性，如光谱扩散和严苛的温度要求。
• 在紧凑且可制造的器件中实现超小模式体积，以增强光-物质相互作用，从而实现强自旋-声子耦合。
• 通过避免直接激发自旋的预警方案，实现在量子网络中高保真度的纠缠分发。
• 证明在基于金刚石的光机械腔中可实现高强度的自旋-机械耦合，同时保持强的声光耦合。

提出的方法

• 设计一种一维金刚石纳米梁光机械晶体（OMC），其具有自相似的、二次变化的光子与声子晶格，以在中心浓缩区域限制光模和机械模。
• 设计腔体以实现光模模式体积 $V_{ ext{opt}}/\lambda^3 \sim 10^{-3}$ 和机械模模式体积 $V_{\text{mech}}/\Lambda_{\text{p}}^3 \sim 10^{-5}$，从而最大化局部场强和应变集中。
• 在机械浓缩区域嵌入第IV族元素空位（如SiV⁻），通过应变诱导的能级位移实现强自旋-声子耦合。
• 使用泵浦激光器，其频率 $\omega_p \approx \omega_a + \Omega$，驱动光机械系统，实现光学与机械模之间的参量耦合 $\hat{H}_{\text{om}} = \hbar g_{\text{om}} \hat{a}^\dagger \hat{a} (\hat{b}^\dagger + \hat{b})$。
• 实施一种预警式纠缠协议，通过联合测量两个腔体的光学输出，将纠缠传递至机械模，再传递至自旋量子比特。
• 利用机械模作为量子总线，中介实现自旋-光子纠缠，从而避免在自旋本征光学跃迁处激发自旋。

实验结果

研究问题

• RQ1 在金刚石中，超小模式体积的光机械腔是否能实现强自旋-声子耦合，同时保持高声光耦合？
• RQ2 机械模是否能作为鲁棒的量子接口，在不直接光学激发自旋的情况下实现与电信波段光子和自旋量子比特之间的连接？
• RQ3 此类系统中可实现的最大自旋-声子耦合速率是多少？与现有平台相比如何？
• RQ4 所提出的接口是否能在较高温度（最高达40 K）下实现量子网络中高保真度的纠缠分发？
• RQ5 该接口的性能如何随材料平台变化？是否可推广至金刚石以外的体系？

主要发现

• 该器件对SiV⁻缺陷实现了约40 MHz的投影自旋-声子耦合速率，显著超过以往的光机械接口。
• 光模模式体积为 $V_{\text{opt}}/\lambda^3 \sim 10^{-3}$，机械模模式体积为 $V_{\text{mech}}/\Lambda_{\text{p}}^3 \sim 10^{-5}$，实现了强局部场强与应变增强。
• 系统支持28.7 THz的光子带隙和2.41 GHz的机械带隙，确保了稳定的模态约束。
• 5.34 GHz的机械模与197.5 THz的光模在浓缩区域空间局域化，具有高重叠度，实现强耦合。
• 预警式纠缠协议实现了远程量子存储器之间高保真度的贝尔态生成，机械模作为量子总线发挥作用。
• 由于未直接激发自旋，该接口可在高达40 K下运行，仅受热损耗限制，从而避免了光谱扩散。