[论文解读] Coherence and entanglement of inherently long-lived spin pairs in diamond

H. P. Bartling, M. H. Abobeih+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2021

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 14被引用 4

一句话总结

该论文表明，金刚石中成对的相同13C核自旋由于钟形跃迁、退相干免受子空间和运动窄化共同作用，天然形成长寿命量子系统。利用附近的氮-vacancy (NV) 中心，作者实现了单个可调控自旋对量子比特的创纪录T₂*相干时间1.9(3)分钟，并通过投影自旋偶极测量实现了高保真度纠缠。

ABSTRACT

Understanding and protecting the coherence of individual quantum systems is a central challenge in quantum science and technology. Over the last decades, a rich variety of methods to extend coherence have been developed. A complementary approach is to look for naturally occurring systems that are inherently protected against decoherence. Here, we show that pairs of identical nuclear spins in solids form intrinsically long-lived quantum systems. We study three carbon-13 pairs in diamond and realize high-fidelity measurements of their quantum states using a single NV center in their vicinity. We then reveal that the spin pairs are robust to external perturbations due to a unique combination of three phenomena: a clock transition, a decoherence-free subspace, and a variant on motional narrowing. The resulting inhomogeneous dephasing time is $T_2^* = 1.9(3)$ minutes, the longest reported for individually controlled qubits. Finally, we develop complete control and realize an entangled state between two spin-pair qubits through projective parity measurements. These long-lived qubits are abundantly present in diamond and other solids, and provide new opportunities for quantum sensing, quantum information processing, and quantum networks.

研究动机与目标

• 研究固体中相同核自旋对是否可作为内在保护的长相干时间量子系统。
• 通过证明其作为稳健、可单独调控的量子比特的潜力，克服传统观点中此类自旋对作为退相干源的看法。
• 利用附近的NV中心作为量子传感器和控制器，实现对自旋对赝自旋态的高保真度初始化、调控和读出。
• 通过投影自旋偶极测量，展示两个此类自旋对量子比特之间的纠缠。
• 确立这些长寿命量子比特在金刚石及其他固体中天然丰富，从而为量子技术开辟新应用。

提出的方法

• 该研究利用金刚石中的氮-vacancy (NV) 中心，在3.7 K下探测并控制三个不同的13C核自旋对（A、B、C），利用NV中心的长相干时间和光学可寻址性。
• 自旋对被建模为反平行子空间（|↑↓⟩ 和 |↓↑⟩）中的赝自旋，其动力学由哈密顿量 H = X·Iₓ + mₛZ·I_z 描述，其中X为偶极耦合，Z为超精细劈裂差异。
• 通过一系列共振π脉冲和NV自旋读出，实现高保真度态制备和测量，时间安排经过优化以避免测量期间的退相干。
• 对于X ≫ Z的自旋对（A和B），通过自由演化和动态解耦实现通用单量子比特控制；对于Z ≫ X的自旋对（C），通过NV自旋态依赖演化实现控制（mₛ = 0 时实现X旋转，mₛ = -1 时实现近似Z旋转）。
• 通过投影自旋偶极测量，创建两个自旋对量子比特之间的纠缠，以区分对称与反对称贝尔态。
• 通过射频驱动单自旋翻转跃迁，实现对自旋对C整个希尔伯特空间的访问，从而实现对单个13C自旋的选择性初始化和控制，且NV耦合可忽略。

实验结果

研究问题

• RQ1 金刚石中相同核自旋对是否可因内在保护机制而作为天然长寿命量子系统？
• RQ2 钟形跃迁、退相干免受子空间和运动窄化在多大程度上共同抑制13C自旋对的去相位？
• RQ3 单个NV中心是否可实现在同一金刚石样品中对多个13C自旋对量子比特的高保真度、独立寻址控制？
• RQ4 在环境条件下，此类自旋对量子比特的最长可达相干时间是多少？与其它固态量子比特相比如何？
• RQ5 是否可通过投影测量在两个此类长寿命自旋对量子比特之间生成并验证纠缠？

主要发现

• 13C自旋对的非均匀去相位时间T₂*达到1.9(3)分钟，为迄今在任何固态系统中实现的可单独调控量子比特的最长记录。
• 由于钟形跃迁、退相干免受子空间和运动窄化变体的共同存在，自旋对对环境扰动表现出强鲁棒性。
• 通过重复使用NV中心进行投影测量，实现高保真度赝自旋态初始化和读出，NV读出时间最小化至~5 μs。
• 通过投影自旋偶极测量，成功在两个自旋对量子比特之间生成纠缠，展示了对多个长寿命量子比特的可扩展量子控制。
• 通过射频驱动单自旋跃迁，可访问13C自旋对的整个希尔伯特空间（包括对称态），从而实现对单个13C自旋的选择性控制，且NV耦合可忽略。
• 测得的超精细耦合强度（如 A∥^(1) = 2π·2826(5) Hz 和 A∥^(2) = 2π·18(7) Hz）与13C-13C对的归属一致，确认了观测信号的来源。