[论文解读] Solid-state platform for cooperative quantum dynamics driven by correlated emission

Xin Li, Jamir Marino+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2023

Neural Networks and Reservoir ComputingComputer Science被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于铁磁性储备池中自旋缺陷的固态平台，通过关联消相干实现合作量子动力学。通过利用自旋波介导的耗散相互作用，作者展示了即使在空间无序和热涨落条件下，氮空位中心仍能实现鲁棒的超辐射和亚辐射，为融合自旋电子学与量子光学的可扩展量子技术奠定了基础。

ABSTRACT

While traditionally regarded as an obstacle to quantum coherence, recent breakthroughs in quantum optics have shown that the dissipative interaction of a qubit with its environment can be leveraged to protect quantum states and synthesize many-body entanglement. Inspired by this progress, here we set the stage for the -- yet uncharted -- exploration of analogous cooperative phenomena in hybrid solid-state platforms. We develop a comprehensive formalism for the quantum many-body dynamics of an ensemble of solid-state spin defects interacting with the magnetic field fluctuations of a common solid-state reservoir. Our framework applies to any solid-state reservoir whose fluctuating spin, pseudospin, or charge degrees of freedom generate magnetic fields. To understand whether correlations induced by dissipative processes can play a relevant role in a realistic experimental setup, we apply our model to a qubit array interacting via the spin fluctuations of a ferromagnetic bath. Our results show that the low-temperature collective relaxation rates of the qubit ensemble can display clear signatures of super- and subradiance, i.e., forms of cooperative dynamics traditionally achieved in atomic ensembles. We find that the solid-state analog of these cooperative phenomena is robust against spatial disorder in the qubit ensemble and thermal fluctuations of the magnetic reservoir, providing a route for their feasibility in near-term experiments. Our work lays the foundation for a multi-qubit approach to quantum sensing of solid-state systems and the direct generation of many-body entanglement in spin-defect ensembles. Furthermore, we discuss how the tunability of solid-state reservoirs opens up novel pathways for exploring cooperative phenomena in regimes beyond the reach of conventional quantum optics setups.

研究动机与目标

• 探索通过共同磁性储备池的关联消相干介导的固态自旋系统中的合作量子现象。
• 解决在量子混合平台中两比特门可扩展性问题，其中相干耦合受限于强局域消相干。
• 研究此前在光子系统中研究过的耗散关联是否可被利用于固态自旋系统，通过自旋波实现。
• 评估在真实实验条件下，空间无序和热涨落对合作量子行为稳定性和可观测性的影响。
• 通过在固态平台中设计长程耗散关联，为融合自旋电子学与量子光学奠定基础。

提出的方法

• 开发了自旋缺陷通过共享固态储备池的磁涨落相互作用的量子多体动力学的一般形式化方法。
• 制定了由关联消相干介导的有效自旋比特-自旋相互作用，将单缺陷量子传感扩展至非局域的时间与空间相关性传感。
• 将该模型应用于耦合到具有可调自旋波色散关系和能隙的铁磁性薄膜储备池的NV中心系统。
• 使用Born-Markov近似和旋转波近似推导出描述集体弛豫动力学的主方程。
• 通过求解主方程模拟密度矩阵的时间演化，以分析集体衰减速率和二阶相关函数。
• 通过在T = 100 mK下数值求解主方程，纳入有限温度效应，评估量子关联的热鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在磁性储备池中通过关联消相干，是否可在固态自旋系统中实现如超辐射和亚辐射的合作量子动力学？
• RQ2 空间无序和热涨落如何影响该平台中合作量子态的稳定性和可观测性？
• RQ3 耗散过程——通常具有破坏性——在多体自旋比特阵列中在多大程度上可被利用以生成长程纠缠和非局域关联？
• RQ4 自旋波介导的耗散相互作用在实现超越传统光子储备池的非幺正多体动力学中扮演何种角色？
• RQ5 在具有结构化储备池的色散多体系统中，亚辐射双激发态的费米子化是否为普遍特征？

主要发现

• 当自旋缺陷频率超过自旋波能隙时，耦合到铁磁性储备池的NV中心系综中会出现超辐射和亚辐射的集体弛豫速率。
• 在合适的参数区域，系统表现出合作动力学的清晰特征，包括增强（超辐射）和抑制（亚辐射）的衰减速率。
• 亚辐射态在其双激发子空间中表现出费米统计，表明这是具有结构化储备池的色散多体系统的普遍特征。
• 合作量子行为对自旋缺陷位置的空间无序具有鲁棒性，表明对实验缺陷具有抗性。
• 在T = 100 mK下的热涨落会破坏多激发态中的费米子关联，表现为二阶相关函数随时间衰减。
• 该框架实现了对磁噪声时间与空间相关性的非局域传感，将量子传感的范围从单缺陷测量扩展至更广领域。