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陈浩南 2024-03-07 16:59:11 +08:00
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# abstract
可伸缩的量子网络需要具有量子处理的能力。
固态自旋系统拥有可靠的自旋-光子接口,是一个起到引领作用的硬件。
然而,目前的系统受到较大的电子-声子耦合以及较快的自旋弛豫的限制。
在本文中,我们展示了带负电的 Si 空位可以克服这两种限制。
由于它 4A2 的基态和激发态对称性,光学共振在接近傅里叶变换极限的线宽下是稳定的,
允许开发光学传输过程中的自旋选择性。
结合在高纯度晶体中有着毫秒级别的自旋耦合时间,
我们演示了高保真度的光学初始化和自旋相干控制,
我们展示了与单个和自旋大约 1 kHz 的相干耦合。
我们的结果使得这个缺陷成为利用基于半导体的自旋-光子耦合和相干耦合核自旋实现内存辅助的量子网络的有力候选者。
# 第一段
可光学寻址的固体单自旋是可扩展量子信息平台的基础。
电子自旋天生适合作为纳米量子传感,并用来控制核自旋,以实现量子信息的存储和计算。
结合一个高效的自旋-光子接口,这使得高速光学自旋控制成为可能,使得远距离的多个光学系统互相纠缠,从而实现量子网络。
目前NV 和 SiC 中的双原子缺陷中已经实现了许多里程碑式的成就。
然而,在这些系统中实现可扩展的纳米光子结构对自旋和光学稳定性和相干是有害的。
新系统尝试通过提高对称性来克服这些问题。
例如,金刚石中带负电的 Si 空位由于具有反演对称性,表现出较高的光学稳定性。
然而,由于自旋-声子耦合,需要将温度降到毫开尔文的水平,才能实现足够长时间的自旋相干。
SiC 中的双原子空位已经有自旋-光子耦合的演示,但它的 ZPL 线对杂散电场太敏感(类似于 NV 中的问题)。
# 第二段
到目前为止,没有已知的固体量子系统能够同时具有以上所有优点。
我们提出了另外一条解决这个问题的思路。
我们认为,理想的系统应该有较高的对称性,并且在基态和激发态之间电子密度的重新分布很小。
较小的电偶极矩变化可以有效地将系统与电场的抖动隔离开来。
较强的光学耦合可以通过使得基态与激发态的相不同来得到。
在之前的工作中,我们证明了 Si 空位在激发态和基态之间空间变化不大,导致了发射的大量内容都到了 ZPL 中。
此外,我们初步实现了相干自旋控制和光学读出,对比度不高是因为缺少高保真的自旋初始化和读出程序。
# 第三段
在本文中,我们展示了 4H-SiC 中的 Si 空位几乎完美地满足了所有这些要求。
与我们之前的研究相比,在改进了的晶体质量中的 Si 空位的鲁棒性使得我们可以第一次看到窄和分离的单个 Si 空位的光学转变,
是一个高保真的自旋-光学接口,适合量子网络应用。
我们证明好的量子系统不一定需要反演对称性,为探索更广阔的材料提供了思路。
# Results
## Silicon vacancies in silicon carbide.

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在这之中SiC 的近简并四重基态的 Si 空位量子比特引起了特别的兴趣。
因为它有在几乎零磁场下相当小的自旋弛豫速率,并且在生物组织的第一近红外窗口中发射。
然而,这个弛豫的过程却还没有被完全探索。
本文中,我们展现了
本文中,我们展现了与磁场和 spin-bath-dependent 弛豫时间 $T_1$ 的详尽的理论研究,
表名 SiC 中的 Si 空位量子比特有潜力作为无微波的低磁场磁力计。
# INTRODUCTION
由于鲁棒性、敏感性和多功能性,点缺陷量子比特在量子传感方面有广泛的潜在应用。