[论文解读] Engineering Phonon-Qubit Interactions using Phononic Crystals

Kazuhiro Kuruma, Benjamin Pingault+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用 5

一句话总结

本文展示了金刚石中的声子晶体可调控声子态密度，从而抑制有害的声子-量子比特相互作用。通过构建50–70 GHz的完整声子禁带，作者将4 K时硅空位色心的声子诱导轨道退相干速率降低了18倍，实现了量子存储器在更高温度下运行的潜力，并为基于声子的量子信息处理开辟了新途径。

ABSTRACT

The ability to control phonons in solids is key for diverse quantum applications, ranging from quantum information processing to sensing. Often, phonons are sources of noise and decoherence, since they can interact with a variety of solid-state quantum systems. To mitigate this, quantum systems typically operate at milli-Kelvin temperatures to reduce the number of thermal phonons. Here we demonstrate an alternative approach that relies on engineering phononic density of states, drawing inspiration from photonic bandgap structures that have been used to control the spontaneous emission of quantum emitters. We design and fabricate diamond phononic crystals with a complete phononic bandgap spanning 50 - 70 gigahertz, tailored to suppress interactions of a single silicon-vacancy color center with resonant phonons of the thermal bath. At 4 Kelvin, we demonstrate a reduction of the phonon-induced orbital relaxation rate of the color center by a factor of 18 compared to bulk. Furthermore, we show that the phononic bandgap can efficiently suppress phonon-color center interactions up to 20 Kelvin. In addition to enabling operation of quantum memories at higher temperatures, the ability to engineer qubit-phonon interactions may enable new functionalities for quantum science and technology, where phonons are used as carriers of quantum information.

研究动机与目标

• 为减轻固态量子比特中声子诱导的退相干，这是量子技术中的主要障碍。
• 探索替代低温冷却的方法，通过调控声子环境而非抑制热声子。
• 证明声子禁带结构可被用于定制化、确定性地调控量子比特-声子相互作用。
• 通过抑制声子介导的退相干，实现量子存储器在更高温度下的运行。
• 通过工程化相互作用，确立声子作为可行的量子信息载体。

提出的方法

• 设计并制备具有50–70 GHz完整声子禁带的金刚石基声子晶体。
• 使用有限元模拟优化晶体几何结构，以实现最大禁带宽度和目标声子抑制。
• 将硅空位（SiV）色心集成到声子晶体结构中作为量子比特系统。
• 测量声子晶体中SiV中心的轨道退相干速率，并与相同条件下体材料金刚石中的结果进行比较。
• 利用光谱技术表征声子态密度，以确认禁带的形成。
• 在4 K至20 K的温度范围内评估性能，以评估抑制效果的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 声子禁带工程能否有效抑制固态量子比特中的声子诱导退相干？
• RQ2 声子态密度在多大程度上可被调控以减少量子比特退相干？
• RQ3 通过调节声子环境，能否将量子存储器的运行温度扩展至更高？
• RQ4 在声子晶体结构中，声子-量子比特耦合的抑制效果如何随温度变化？
• RQ5 能否通过工程化相互作用，将声子作为相干的量子信息载体？

主要发现

• 所制备的声子晶体在50至70 GHz范围内表现出完整的禁带，证实了设计的声子带结构。
• 在4 K时，SiV中心的声子诱导轨道退相干速率相比体金刚石降低了18倍。
• 声子-量子比特相互作用的抑制效应可维持至20 K，表明存在实现更高温度下量子存储器运行的潜力。
• 声子禁带有效抑制了SiV中心与热浴中声子的共振相互作用。
• 结果表明，声子晶体可作为可扩展且可调谐地调控量子比特-声子耦合的平台。
• 本研究为通过固态系统中工程化相互作用使用声子作为量子信息载体建立了可行路径。