RF-free driving of nuclear spins with color centers in silicon carbide

技術要約：シリコンカーバイド中のカラーセンターを用いた、RFフリーな核スピン駆動

問題提起
シリコンカーバイド（SiC）におけるカラーセンターなどの量子デバイスでは、近傍の核スピンを量子メモリや補助量子ビットとして利用することが多い。しかし、これらの核スピンを従来通り操作するには、磁気モーメントが弱いため強力な高周波（RF）電場が必要となる。RF電場の導入は、実験の複雑化、消費電力の増大、および熱ドリフトを引き起こし、特に低温環境において課題となる。単一のマイクロ波（MW）源を用いて電子スピンと核スピンの両方をコヒーレントに制御できる系を見出し、追加のRFハードウェアを排除することが重要な課題となっている。

手法
著者らは、4H-シリコンカーバイド（SiC）における修飾されたディバカンシー（divacancy）中心、具体的にはPL6中心について調査している。本研究では、近傍の核スピン（$^{13}$Cと特定され、結合強度は $\approx 6.7$ MHz）と強く結合した単一のPL6中心を利用している。実験セットアップは、励起に940 nmレーザーを用い、スピン操作にMWパルスを用いる、自作の共焦点顕微鏡システムを用いている。

核心となる手法は、欠陥の量子化軸に対して外部印加磁場を精密に傾けることにある。理論的モデリングでは、ファン・フローレン（Van Vleck）摂動論を用いて、$m_s=0$ 基底状態部分空間内における核スピンの有効ハミルトニアンを導出している。このモデルは、傾いた磁場（$B_\perp \neq 0$）が超微細相互作用を介した効果を活性化することを示している。具体的には、横成分の磁場が超微細結合と組み合わさることで、$m_s=0$ と $m_s=\pm1$ の多様体間の混合を誘起する。この混合により、直接的なRF励起なしに核スピンの歳差運動を駆動する有効な横磁場が生成される。

実験プロトコルは以下の通りである：

1. 初期化： レーザーパルスと電子スピンに対するスピン選択的なMW $\pi$ パルスによって、核スピンを分極させる。
2. 駆動： MWパルスを印加して電子スピンを駆動し、超微細強化された歳差運動メカニズムを通じて、同時に核スピンを操作する。
3. 読み出し： 核スピンの状態を電子スピンへとマッピングし、光学的読み出しを行う。
4. 特性評価： 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てコヒーレンス時間（$T_2^*$ および $T_2$）を測定し、量子状態トモグラフィー（QST）を行ってゲート忠実度を検証する。

主な貢献と結果

• RFフリーの核制御： 著者らは、MWパルスと精密に傾けた磁場のみを用いて、結合した核スピンのコヒーレント制御を実現し、RF源を不要とした。核スピンの歳差運動は、超微細強化効果を介して電子スピンによって駆動される。
• 高忠実度制御： 本システムは高忠実度な操作を実現している。単一量子ビットゲートの忠実度は、電子スピンで97%、核スピンで93%と測定された。電子・核もつれ系の二量子ビット量子状態トモグラフィーは、89%の忠実度を示した。
• 拡張されたコヒーレンス時間： 核スピンは堅牢な量子メモリとして機能する。測定された純デフェージング時間（$T_2^{*, \text{Nucl}}$）は $102.2 \pm 7.2$ $\mu$s、スピンエコーコヒーレンス時間（$T_2^{\text{Nucl}}$）は $151.0 \pm 6.9$ $\mu$s であった。これらの値は、対応する電子スピンのコヒーレンス時間よりもそれぞれ約30倍および6倍長く、核のコヒーレンスが主に電子スピンの $T_1$ によって制限されていることを示している。
• 磁場アライメント： 核スピンの歳差運動周波数とコントラストは、外部磁場の傾斜角に対して非常に敏感であることが示されている。この感度により、核スピン自体を精密な磁場アライメントのプローブとして利用することが可能となり、観測可能な振動コントラストを最大化しつつ、適度な歳差運動周波数を維持できる「スイートスポット」を特定できる。
• 分極： 初期化シーケンスを繰り返し適用することで、核スピンを最大95.5%という高い程度まで分極でき、核スピン状態間の遷移を効果的に抑制できることが示された。

意義
本論文は、このアプローチが将来の量子アプリケーションに向けて、簡素化されスケーラブルな経路を提供すると主張している。RF電場なしで核スピンの制御を可能にすることで、本手法は実験の複雑さと消費電力を低減する。高忠実度の制御と長いコヒーレンス時間を単一のMW源で達成できることは、PL6中心が、特に室温動作やスケーラブルなフォトニック構造への統合を必要とする量子センシング、コンピューティング、およびネットワーキングプラットフォームの有望な候補であることを示している。本研究は、PL6中心が、長年研究されてきたダイヤモンドNVセンターの性能に匹敵すると同時に、SiCのCMOS適合性とバイオウィンドウ放射という利点を提供することを確立した。