[论文解读] Robust quantum-network memory based on spin qubits in isotopically engineered diamond

C. E. Bradley, Sébastian de Bone+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2021

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 6

一句话总结

该论文展示了一种基于同素体工程金刚石中单个¹³C核自旋与氮-vacancy（NV）中心耦合的鲁棒量子网络存储器。通过抑制光学链路操作期间的退相干，该存储器实现了超过10⁵次纠缠循环的寿命——比以往工作长两个数量级——从而实现了高链路效率（η*_{link} ≈ 10），并为确定性两比特门和四节点GHZ态制备铺平了道路。

ABSTRACT

Quantum networks can enable long-range quantum communication and modular quantum computation. A powerful approach is to use multi-qubit network nodes which provide the quantum memory and computational power to perform entanglement distillation, quantum error correction, and information processing. Nuclear spins associated with optically-active defects in diamond are promising qubits for this role. However, their dephasing during entanglement distribution across the optical network hinders scaling to larger systems. In this work, we show that a single 13C spin in isotopically engineered diamond offers a long-lived quantum memory that is robust to the optical link operation of an NV centre. The memory lifetime is improved by two orders-of-magnitude upon the state-of-the-art, and exceeds the best reported times for remote entanglement generation. We identify ionisation of the NV centre as a newly limiting decoherence mechanism. As a first step towards overcoming this limitation, we demonstrate that the nuclear spin state can be retrieved with high fidelity after a complete cycle of ionisation and recapture. Finally, we use numerical simulations to show that the combination of this improved memory lifetime with previously demonstrated entanglement links and gate operations can enable key primitives for quantum networks, such as deterministic non-local two-qubit logic operations and GHZ state creation across four network nodes. Our results pave the way for test-bed quantum networks capable of investigating complex algorithms and error correction.

研究动机与目标

• 解决由于光学纠缠分发过程中退相干导致的量子网络中量子存储器寿命短的问题。
• 克服现有金刚石中核自旋量子比特在重复远程纠缠操作中因退相位而受限的局限性。
• 开发一种能够通过多次纠缠生成与测量循环持续保持量子态的鲁棒数据量子比特系统。
• 实现高链路效率（η*_{link}），以支持可扩展的量子网络协议，如纠缠浓缩和错误纠正。
• 识别并缓解NV中心在网络运行期间出现的电离作为新的退相干机制。

提出的方法

• 利用同素体工程金刚石中的¹³C核自旋作为与氮-vacancy（NV）中心耦合的量子数据比特，实现自旋-光子接口。
• 通过动态解耦序列实现单次测量读出与¹³C自旋的相干控制，以延长相干时间。
• 采用反馈稳定技术维持磁场稳定性，最大限度减少影响自旋操作的漂移。
• 实施参考测量协议，剔除因磁场漂移导致自旋保真度下降的数据运行。
• 使用数值模拟在真实条件下建模网络性能，包括电离和退相干效应。
• 通过拉伸指数函数拟合退相干数据：F(t) = A·exp[−(t/T)^n]，以提取不同条件下的T₂*和T₁时间尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在同素体工程金刚石中的单个¹³C核自旋能否作为对光学网络操作具有鲁棒性的长寿命量子存储器？
• RQ2 ¹³C自旋在退相干限制性能之前最多能维持多少次远程纠缠循环？
• RQ3 NV中心的电离如何影响核自旋存储的保真度和寿命？
• RQ4 在NV中心电离并重新捕获后，核自旋态是否能够可靠地恢复，从而实现容错操作？
• RQ5 通过提升存储寿命，能在多大程度上实现如确定性两比特门和多节点GHZ态制备等先进网络原语？

主要发现

• ¹³C自旋存储器的寿命超过10⁵次纠缠循环，相较于最先进成果实现了两个数量级的提升。
• 在自由感应衰减中，NV的0态下¹³C自旋的有效退相干时间T₂*达到57(3) ms，拉伸指数拟合表明其具有优异的相干性。
• 识别出NV中心的电离是新的限制性退相干机制，其特征电离时间常数在5%阈值下约为3.0×10⁵个循环。
• 在完成一次NV电离与重新捕获的完整循环后，实现了≥校准值75%的高保真度态读取，证实了对这一过程的鲁棒性。
• 数值模拟表明，凭借此存储性能，可实现η*_{link} ≈ 10，从而支持确定性非局域两比特门和四节点GHZ态制备。
• 在重复纠缠操作下，¹³C自旋的测量T₂*达到2.91(8) s（N=8个循环），表明其在网络运行期间具有极高的稳定性。