Minute-long quantum coherence enabled by electrical depletion of magnetic noise

技術要約：電気的空乏化による磁気ノイズの抑制を通じた、分単位の量子コヒーレンスの実現

問題提起
シリコンカーバイド（SiC）などの固体状態のスピン欠陥は、そのスピン・光子インターフェースと核スピンメモリへのアクセス性から、量子通信および量子センシングのための有望なプラットフォームである。しかし、その有用性は、ホスト行列内の欠陥や不純物に起因する制御不能な電気的および磁気的ノイズによって制限されることが多い。同位体精製や成長の最適化といった材料工学的な戦略により、これらのノイズ源は減少しているが、完全に排除することはできていない。その結果、既存のアプローチは、残留ノイズを緩和するために複雑なハミルトニアン・エンジニアリング（デカップリング・シーケンス）に依存することが多く、これが量子プロトコルを妨げる要因となっている。材料の完全性にのみ頼ることなく、デバイス構造内で電気的および磁気的ノイズの両方を能動的に抑制し、記録的なコヒーレンス時間を達成するための手法が求められている。

手法
著者らは、中性ダイバカンシー（$VV^0$）スピン欠陥を埋め込んだ、同位体精製された（99.85% $^{28}$Si, 99.98% $^{12}$C）4H-SiC p-i-nダイオードにおけるバイアス制御の影響を調査した。実験セットアップは以下の通りである：

• デバイス構造： 4°オフアキシスのn型基板上に作製された、欠陥を含む真性領域を持つカスタム成長のp-i-nダイオード。
• 電気的チューニング： チームは、ダイオードにバイアス電圧を印加して順バイアスから逆バイアスへと遷移させ、特に電界が欠陥付近の電荷キャリアやトラップを空乏化させる空乏領域を標的とした。
• 光学特性評価： 共鳴フォトルミネッセンス励起（PLE）を用いて、$VV^0$放出のスタークシフトおよび光学線幅を測定した。
• スピンコヒーレンス測定：
  • 電子スピン： $VV^0$電子スピン（$S=1$）に対してラムゼイ（Ramsey）およびハーンエコー（Hahn echo）シーケンスを実行し、異なるバイアス条件下でのデフェージング率（$T_2^*$ および $T_2$）を測定した。磁気ノイズの寄与を分離するために、ダブル量子（DQ）ラムゼイ測定を利用した。
  • 核スピン： 隣接する$^{29}$Si核スピン（$I=1/2$）を特定し、電子スピン上の動力学的デカップリング（XY8シーケンス）を用いてコヒーレントに制御した。核スピンは初期化、操作され、スピン-電荷変換（SCC）を介して$VV^0$によって読み出された。
  • 長期安定性： スローなノイズダイナミクスと核スピン緩和（$T_1$）を観察するために、最長22.5時間に及ぶ拡張ラムゼイ測定を実施した。

主な貢献と結果

1. 電気的および磁気的ノイズの同時空乏化： 本研究は、SiC p-i-nダイオードを逆バイアス空乏領域（具体的には-80 V）で動作させることが、電気的および磁気的ノイズ源の両方を大幅に減少させることを示している。

   • 光学的な改善： $VV^0$の光学線幅は、ゼロバイアス時の約80 MHzから、空乏領域では18(1) MHzへと狭まり、自然線幅の限界に近づいた。
   • 電子スピンコヒーレンス： 電子スピンのラムゼイコヒーレンス時間（$T_2^*$）は約50%増加して320(30) $\mu$sとなり、ハーンエコー時間（$T_2$）は25%改善して1.9(1) msとなった。ダブル量子ラムゼイ測定により、この改善が単なる電気的ノイズではなく、磁気的ノイズの減少によって駆動されていることが確認された。
   • 磁気ノイズの起源： 著者らは、磁気ノイズの減少を、欠陥付近の常磁性電荷トラップ（窒素不純物や炭素空孔など）の電気的空乏化によるものであり、それらがスピンを持たない電荷状態に変換されたためであると帰属させている。

2. 記録的な核スピンコヒーレンス： 低減された磁気ノイズ環境と「フローズンコア（frozen core）」効果（$m_s = -1$状態の電子スピンが近傍のスピンへの分極移動を抑制する現象）を利用することで、著者らは単一の$^{29}$Si核スピンにおいて前例のないコヒーレンス時間を達成した。

   • 緩和： 核スピンの緩和時間（$T_1$）は空乏領域で倍増した。
   • ラムゼイコヒーレンス： 電子スピンが$m_s = -1$の状態にあるとき、核スピンの$T_2^*$は690(40) msに達した。
   • ハーンエコーコヒーレンス： 最も注目すべきことに、核スピンのハーンエコーコヒーレンス時間は、105秒（99%の信頼区間）の下限値が測定された。これは、現在報告されているあらゆる量子ビットプラットフォーム（固体、原子、またはイオン）における単一スピンのコヒーレンス時間の中で最長である。

3. スケーリング則： 著者らは、核スピンのラムゼイ時間の向上率が緩和時間の向上率の平方根と相関するというスケーリング関係（$T_2^*/T_2^* \approx \sqrt{T_1/T_1}$）を観察した。これは、デフェージングと緩和が同じ弱相互作用する磁気不純物のアンサンブルに由来するという微視的なスピンバスモデルと一致している。

意義
本論文は、材料制御と電子デバイスエンジニアリングの統合がいかに重要であるかを実証している。単純な半導体ダイオード構造を用いて、イン・サイチュ（in situ）でノイズ源を空乏化することにより、著者らは材料成長の最適化のみによる限界を超えた。このアプローチは以下を可能にする：

• 記録的なコヒーレンス： 複雑な動力学的デカップリング・シーケンスや特定のクロック遷移点を必要とせずに、固体核スピンの分単位のコヒーレンス時間を達成する。
• スケーラビリティ： すでに高出力電子機器業界で成熟しているウェーハスケールのSiCプラットフォーム上で、古典的な電子制御と量子オプトエレクトロニクスを統合する経路を提供する。
• 量子ネットワーク： 設計されたデバイス内で光学特性とスピン特性の両方を保持することにより、高度にコヒーレントな量子ノードおよびネットワークの基礎を確立し、ナノ構造で見られる特性の劣化を克服できる可能性がある。

本研究は、能動的な電気的環境エンジニアリングが、固体量子ビットの性能を高めるための強力なツールであり、高フィデリティな量子情報処理およびセンシングへの道を開くものであることを示唆している。