[论文解读] Robust multi-qubit quantum network node with integrated error detection

Pieter-Jan Stas, Yan Qi Huan+16 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种基于钻石纳米光子腔中硅空位（SiV）中心的稳健、集成化的两量子比特量子网络节点，利用SiV电子自旋作为通信量子比特，29Si核自旋作为相干时间超过2秒的长寿命记忆量子比特。通过利用高度应变的SiV中心以抑制自旋-声子耦合，该平台在最高1.5 K下实现电子-光子纠缠，在最高4.3 K下实现直接核-光子纠缠，同时通过电子自旋作为标志量子比特实现高效错误检测，从而支持可扩展的量子中继架构。

ABSTRACT

Long-distance quantum communication and networking require quantum memory nodes with efficient optical interfaces and long memory times. We report the realization of an integrated two-qubit network node based on silicon-vacancy centers (SiVs) in diamond nanophotonic cavities. Our qubit register consists of the SiV electron spin acting as a communication qubit and the strongly coupled 29Si nuclear spin acting as a memory qubit with a quantum memory time exceeding two seconds. By using a highly strained SiV with suppressed electron spin-phonon interactions, we realize electron-photon entangling gates at elevated temperatures up to 1.5 K and nucleus-photon entangling gates up to 4.3 K. Finally, we demonstrate efficient error detection in nuclear spin-photon gates by using the electron spin as a flag qubit, making this platform a promising candidate for scalable quantum repeaters.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、集成化的量子网络节点，具备长寿命量子记忆和高效的光子接口，以支持远距离量子通信。
• 通过设计高度应变的SiV中心以抑制自旋-声子相互作用，克服量子记忆中声子诱导退相干的挑战。
• 在较高温度下（最高4.3 K）实现核自旋与光子之间的确定性、高保真度纠缠，以支持实际的量子中继器运行。
• 通过将电子自旋作为标志量子比特，实现核-光子纠缠操作中的集成错误检测，以检测并缓解错误。
• 展示一种平台，可在核记忆退相干前支持超过90次电子态读出，实现无退化重复操作。

提出的方法

• 利用钻石纳米光子腔中的硅空位（SiV）中心，其中29Si核自旋作为长寿命记忆量子比特，SiV电子自旋作为通信量子比特。
• 采用高度应变的SiV以减少自旋-声子耦合，实现较高温度下的运行（电子-光子纠缠最高达1.5 K，核-光子纠缠最高达4.3 K）。
• 应用基于相位的电子自旋读出技术，实现选择性读出和多次重置，而不会损害核自旋记忆。
• 利用电子自旋作为标志量子比特，通过测量反射光中自旋相关的相位移，检测核-光子纠缠操作中的错误。
• 优化激光频率，以最大化电子态可区分性与核态退相干的比值，最小化每次读出的信息损失。
• 采用可调耦合参数（g, κ_in, κ_tot）的腔-QED架构，并通过磁场调谐，以最大化在核退相干前可进行的电子读出次数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在纳米光子腔中的高度应变SiV中心是否能够在高于1 K的温度下实现电子-光子纠缠，从而减少对稀释制冷机的依赖？
• RQ2 基于SiV的量子节点中，29Si核自旋的最长相干时间是多少？是否可超过2秒？
• RQ3 电子自旋能否作为标志量子比特，在保持核相干性的同时检测核-光子纠缠操作中的错误？
• RQ4 在核自旋退相干达到1/e之前，可进行多少次电子态读出？哪些参数可使该数量最大化？
• RQ5 基于相位的电子自旋读出是否能实现多次重置而不损害核自旋记忆，从而支持错误检测协议中的重复操作？

主要发现

• 29Si核自旋记忆的相干时间超过2秒，证明其作为适用于量子中继器的长寿命量子记忆具有可行性。
• 通过高度应变SiV中抑制自旋-声子耦合，实现了在最高1.5 K下的电子-光子纠缠。
• 在最高4.3 K下实现了直接核-光子纠缠，显著扩展了量子记忆节点的工作温度窗口。
• 电子自旋作为有效的标志量子比特，实现了核-光子纠缠操作中集成错误检测，保真度高。
• 该平台在核态退相干达到1/e之前，可支持约90次电子态读出，保真度达95%，表明对测量诱导退相干具有高度鲁棒性。
• 通过优化激光频率和腔体参数，最大化电子态可区分性，同时最小化核退相干，从而实现可扩展的重复操作。