[论文解读] Spin-mechanics with color centers in hexagonal boron nitride membranes

Mehdi Abdi, Myung-Joong Hwang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2017

Mechanical and Optical Resonators被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于悬浮六方氮化硼（hBN）膜中色心的自旋-机械系统，以实现强自旋-运动耦合。通过利用群论和从头算计算，该研究展示了机械振子的基态冷却，并构建了一套用于自旋量子比特控制的工具箱，通过超强且失谐的耦合，实现了多组分猫态和压缩态的快速、抗噪声制备——可能实现声子集合辐射相变。

ABSTRACT

Recently observed quantum emitters in hexagonal boron nitride (hBN) membranes have a potential for achieving high accessibility and controllability thanks to the lower spatial dimension. Moreover, these objects naturally have a high sensitivity to vibrations of the hosting membrane due to its low mass density and high elasticity modulus. Here, we propose and analyze a spin-mechanical system based on color centers in a suspended hBN mechanical resonator. Through group theoretical analyses and ab initio calculation of the electronic and spin properties of such a system, we identify a spin doublet ground state and demonstrate that a spin-motion interaction can be engineered which enables ground state cooling of the mechanical resonator. We also present a toolbox for initialization, rotation, and readout of the defect spin qubit. As a result the proposed setup presents the possibility for studying a wide range of physics. To illustrate its assets, we show that a fast and noise resilient preparation of a multicomponent cat state and a squeezed state of the mechanical resonator is possible; the latter is achieved by realizing the extremely detuned, ultrastrong coupling regime of the Rabi model, where a phonon superradiant phase transition is expected to occur.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、高相干性的量子自旋-机械系统平台，利用悬浮hBN膜中的色心。
• 通过机械振子的低质量和高弹性，实现强自旋-运动耦合，从而实现对自旋和运动的量子调控。
• 设计一套工具箱，以可控且抗噪声的方式实现缺陷自旋量子比特的初始化、旋转和测量。
• 探索机械驱动系统中Rabi模型的超强耦合 regime，其中可能涌现出声子集合辐射现象。

提出的方法

• 利用群论分析识别hBN膜中色心中存在的自旋双重态基态。
• 通过从头算计算确定缺陷体系的电子和自旋性质。
• 通过利用机械振子对振动模式的高灵敏度（得益于低质量密度和高弹性模量），实现自旋-运动耦合。
• 设计一种控制协议，利用定制电磁场实现自旋量子比特的初始化、旋转和测量。
• 在Rabi模型的极失谐、超强耦合 regime 下运行，以实现非微扰量子效应。
• 利用机械振子的高Q值和低耗散特性，实现基态冷却和相干态制备。

实验结果

研究问题

• RQ1 悬浮hBN膜中的色心是否能支持适合量子比特编码的自旋双重态基态？
• RQ2 如何在二维、低质量的机械振子中工程化自旋-运动纠缠？
• RQ3 何种控制协议可在环境噪声存在下实现自旋量子比特的鲁棒初始化、旋转和测量？
• RQ4 是否可在该系统中实现Rabi模型的超强、失谐耦合 regime，以探索新型量子物相？
• RQ5 是否能够实现机械振子的多组分猫态和压缩态的快速、抗噪声制备？

主要发现

• 该系统支持自旋双重态基态，经群论和从头算分析确认，可实现量子比特编码。
• 由于悬浮hBN膜具有高机械灵敏度，自旋-运动耦合被有效工程化，从而实现与振动模式的强相互作用。
• 通过工程化的自旋-运动相互作用，可实现机械振子的基态冷却。
• 已展示一套完整的自旋量子比特控制工具箱——包括初始化、旋转和测量——且对噪声具有鲁棒性。
• 由于系统的相干性和控制保真度，多组分猫态的快速、抗噪声制备成为可能。
• 通过进入Rabi模型的超强、失谐耦合 regime，可生成机械振子的压缩态，该 regime 预期出现声子集合辐射相变。