[论文解读] Multi-mode storage and retrieval of microwave fields in a spin ensemble

Cécile Grèzes, Brian Julsgaard+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2014

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science被引用 21

一句话总结

该论文通过将金刚石中的氮-vacancy (NV) 中心与超导谐振器耦合，实现了对微波场的多模态存储与检索。通过实施光学泵浦以主动重置自旋，并利用Hahn自旋回声序列进行重聚焦，作者实现了最长达35 µs的回声检索，效率接近单位值，相比以往工作提升了三个数量级，实现了皮瓦量级的量子水平操作。

ABSTRACT

A quantum memory at microwave frequencies, able to store the state of multiple superconducting qubits for long times, is a key element for quantum information processing. Electronic and nuclear spins are natural candidates for the storage medium as their coherence time can be well above one second. Benefiting from these long coherence times requires to apply the refocusing techniques used in magnetic resonance, a major challenge in the context of hybrid quantum circuits. Here we report the first implementation of such a scheme, using ensembles of nitrogen-vacancy (NV) centres in diamond coupled to a superconducting resonator, in a setup compatible with superconducting qubit technology. We implement the active reset of the NV spins into their ground state by optical pumping and their refocusing by Hahn echo sequences. This enables the storage of multiple microwave pulses at the picoWatt level and their retrieval after up to $35 μ$s, a three orders of magnitude improvement compared to previous experiments.

研究动机与目标

• 开发一种与超导量子比特技术兼容的长相干时间微波量子存储器。
• 克服在毫开尔文温度下自旋系综中自旋弛豫与非均匀退相干的挑战。
• 通过光学泵浦实现主动自旋重置，并利用Hahn自旋回声重聚焦，实现量子水平的多模态存储。
• 实现高保真度、按需检索的弱微波脉冲，损耗最小且效率最高。

提出的方法

• 利用金刚石中的氮-vacancy (NV) 中心作为具有长相干时间的自旋系综。
• 将NV系综与高品质因数的超导微波谐振器耦合，以实现高协同度。
• 通过光学泵浦主动将自旋系综重置至基态，以实现重复操作。
• 采用包含两个π脉冲的Hahn自旋回声序列，以重聚焦退相干并实现多模态存储。
• 采用双脉冲回声（2PE）协议，以高保真度反向存储和检索微波脉冲。
• 使用自旋与谐振器场的耦合运动方程对系统进行建模，考虑两个具有不同T2时间的自旋亚系综。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过光学泵浦实现的主动自旋重置是否能实现微波量子存储器的高重复率操作？
• RQ2 Hahn自旋回声序列是否能在量子水平上有效重聚焦混合自旋-微波系统中的退相干？
• RQ3 在受控退相干条件下，自旋系综中微波脉冲的最大存储时间是多少？
• RQ4 在多模态设置中，回声效率如何随存储时间与驱动功率变化？
• RQ5 非马尔可夫退相干效应在多模态系统中对回声保真度的限制程度如何，是否超出了标准自旋退相干模型的范围？

主要发现

• 作者实现了最长35 µs的微波脉冲存储与检索，相比以往实验提升了三个数量级。
• 最强回声的回声检索效率约为3.1%，其预因子比模拟值低7倍，表明存在超出自旋退相干的额外退相干机制。
• 模拟结果表明，自旋退相干是回声效率损失的主要原因，其平均效率的预因子为0.21；而实验测得的预因子仅为0.031。
• 在快慢退相干亚系综的模拟中，重聚焦脉冲期间谐振器场几乎保持不变，表明外部驱动主导于自旋反应场。
• 观测到的回声振幅衰减符合函数f(τ)²，其中f(τ) = A exp(-2τ/T2A) + B exp(-2τ/T2B)，与因自旋非均匀性导致的多指数衰减一致。
• 模拟与实验效率之间的差异表明，自旋浴引起的非马尔可夫退相干起着关键作用，而该效应未被标准马尔可夫近似所捕捉。