[论文解读] Strain induced coupling and quantum information processing with hexagonal boron nitride quantum emitters

F. T. Tabesh, Q. Hassanzada+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 85被引用 9

一句话总结

本文提出了一种在六方氮化硼纳米带（BNNRs）中通过应变介导的量子接口，其中硼空位色心通过局部应变诱导的弯曲声子实现耦合。利用从头算DFT计算，作者展示了这些缺陷对应变的强敏感性，从而实现了多个量子比特在室温下的稳健稳态纠缠，并可实现可调的图态，具有模拟Dicke-Ising模型和声子驱动的集体辐射（超辐射）的潜力。

ABSTRACT

We propose an electromechanical scheme where the electronic degrees of freedom of boron vacancy color centers hosted by a hexagonal boron nitride nanoribbon are coupled for quantum information processing. The mutual coupling of color centers is provided via their coupling to the mechanical motion of the ribbon, which in turn stems from the local strain. The coupling strengths are computed by performing ab-initio calculations. The density functional theory (DFT) results for boron vacancy centers on boron nitride monolayers reveal a huge strain susceptibility. In our analysis, we take into account the effect of all flexural modes and show that despite the thermal noise introduced through the vibrations one can achieve steady-state entanglement between two and more number of qubits that survives even at room temperature. Moreover, the entanglement is robust against mis-positioning of the color centers. The effective coupling of color centers is engineered by positioning them in the proper positions. Hence, one is able to tailor stationary graph states. Furthermore, we study the quantum simulation of the Dicke-Ising model and show that the phonon non-equilibrium phase transition occurs even for a finite number of color centers. Given the steady-state nature of the proposed scheme and accessibility of the electronic states through optical fields, our work paves the way for the realization of steady-state quantum information processing with color centers in hexagonal boron nitride membranes.

研究动机与目标

• 开发一种基于六方氮化硼（hBN）色心的可扩展、室温量子信息平台。
• 通过结合色心的高应变敏感性与低质量、高质量的机械谐振器，克服现有系统的局限性。
• 通过声子介导的耦合，实现在远距离量子比特之间的长寿命、稳态纠缠。
• 为量子计量学工程可定制的图态。
• 模拟Dicke-Ising模型，并在有限系统中观测声子非平衡相变。

提出的方法

• 执行从头算密度泛函理论（DFT）和约束占据DFT（CDFT）计算，以确定hBN单层中带负电的硼空位色心的零声子线（ZPL）能量在应变作用下的偏移。
• 通过局部应变将电子量子比特态与自由悬挂BNNRs的弯曲振动模耦合，耦合强度由DFT结果得出。
• 推导出描述量子比特与声子相互作用的有效哈密顿量，包含相干与耗散动力学。
• 采用约化主方程方法消除振动自由度，分析热噪声下的稳态动力学。
• 通过数值模拟包含热声子等真实噪声源的系统，评估纠缠的鲁棒性。
• 通过调节系统几何结构来调控量子比特-量子比特耦合强度，从而实现对图态结构的控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在hBN纳米带中，远距离硼空位色心之间通过应变诱导的耦合是否能够在室温下实现稳健的稳态纠缠？
• RQ2 热噪声如何影响该声子介导方案中纠缠态的寿命与保真度？
• RQ3 量子比特之间的耦合强度是否可被调节至与发射器退相干速率相当或更高，从而实现高保真度的量子操作？
• RQ4 该系统在有限数量的量子比特下，能够在多大程度上模拟Dicke-Ising模型并表现出声子驱动的超辐射？
• RQ5 相干与非相干的量子比特间相互作用在模拟的Dicke-Ising模型相变中起何种作用？

主要发现

• hBN单层中带负电的硼空位缺陷表现出大的应变敏感性，沿扶手椅方向每1%应变可引起约1.5 meV的ZPL能量偏移，表明其与局部应变具有强耦合。
• 尽管存在热噪声，仍可在室温下实现两个及以上量子比特的稳态纠缠，且纠缠可稳定存在。
• 通过合理布置色心位置，可调节量子比特-量子比特的耦合强度，从而实现具有可定制拓扑结构的稳定图态。
• 即使在有限数量的量子比特下，该系统仍可在Dicke-Ising模型中支持声子驱动的耗散性超辐射相变。
• 该方案对色心位置的偏差具有鲁棒性，显示出在器件实现中的实际可行性。
• 数值模拟证实，所提出的方案可实现适合量子计量学与量子模拟应用的长寿命纠缠。