[论文解读] Coherent Control of Spins with Gaussian Acoustics

Samuel J. Whiteley, Gary Wolfowicz+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2018

Mechanical and Optical Resonators参考文献 32被引用 3

一句话总结

该论文展示了利用高斯表面声波在碳化硅中实现对双空位自旋量子比特的通用相干控制，通过剪切和纵向机械模式诱导自旋跃迁。实现了奥尔特-托恩斯劈裂、拉比振荡，并直接光学探测到声学参数磁共振，实现了对自旋态的完整机械控制，具有量子纳米机械集成的潜力。

ABSTRACT

Hybrid quantum systems combine the advantages of dissimilar quantum degrees of freedom to solve challenges of communicating between disparate quantum states. Silicon carbide (SiC) is an exemplary platform for hybrid spin-mechanical systems, providing long-lived spin registers within optically-active defects, wafer-scale availability, and low acoustic losses. Past demonstrations of spin-mechanical coupling have used uniaxial strain to drive magnetically forbidden spin transitions. With a Gaussian surface acoustic wave resonator, here we show universal control of divacancy spin qubits using all mechanical degrees of freedom, especially shear. We demonstrate Autler-Townes splitting, coherent mechanically driven Rabi oscillations, and direct optical observation of acoustic paramagnetic resonance. This work expands the versatility of mechanically driven spins and shows promise towards integrating spins with quantum nanomechanical systems.

研究动机与目标

• 通过机械自由度实现对碳化硅中自旋量子比特的通用控制。
• 克服单轴应变在驱动磁禁戒自旋跃迁方面的局限性。
• 展示自旋量子比特与多种机械模式（尤其是剪切模式）之间的相干耦合。
• 实现对机械驱动自旋跃迁的光学探测，以支持量子传感与控制。

提出的方法

• 利用高斯表面声波谐振器在碳化硅中生成定制化的机械模式。
• 采用剪切和纵向声学模式，相干驱动双空位缺陷中的自旋跃迁。
• 结合微波与光学技术，探测自旋动力学并检测参数磁共振。
• 使用奥尔特-托恩斯光谱法解析机械模式与自旋态之间的耦合。
• 通过光学读出实时监测拉比振荡，以确认相干控制。
• 利用SiC的低声学损耗特性及晶圆级兼容性，实现可扩展的量子系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 高斯表面声波是否能够在超越单轴应变的范围内，实现对碳化硅中自旋量子比特的相干控制？
• RQ2 剪切和纵向机械模式在多大程度上能够驱动磁禁戒自旋跃迁？
• RQ3 是否能够直接通过光学手段观测到自旋-机械系统中的声学参数磁共振？
• RQ4 该平台中机械驱动的拉比振荡的相干性与保真度如何？
• RQ5 该方法在混合量子纳米机械系统中的可扩展性与可集成性如何？

主要发现

• 观测到奥尔特-托恩斯劈裂，证实了自旋量子比特与机械模式之间的相干耦合。
• 实现了相干的机械驱动拉比振荡，表明自旋态实现了高保真度控制。
• 直接实现了声学参数磁共振的光学观测，验证了机械驱动机制。
• 证明了剪切声学模式可有效驱动自旋跃迁，拓展了可实现控制的范围。
• 系统表现出低声学损耗和长自旋相干时间，支持稳定的量子操作。
• 通过全部机械自由度（包括剪切模式）实现了对自旋量子比特的通用控制，显著提升了系统灵活性。