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

技术摘要：通过电学耗尽磁噪声实现分钟级量子相干性

问题陈述
固态自旋缺陷（如硅碳化物 SiC 中的缺陷）由于其具有自旋-光子接口并可访问核自旋存储器，在量子通信和传感领域具有广阔的应用前景。然而，其效用往往受限于宿主基质中由缺陷和杂质引起的不可控电噪声和磁噪声。虽然材料工程策略（如同位素纯化和生长优化）已经减少了这些噪声源，但并未能将其完全消除。因此，现有方法通常依赖于复杂的哈密顿量工程（退耦序列）来减轻残余噪声，但这可能会干扰量子协议。目前仍需要能够在其器件结构内主动抑制电噪声和磁噪声的方法，以便在不完全依赖材料完美性的情况下实现突破性的相干时间记录。

方法论
作者研究了偏置控制对含有嵌入中性双空位（$VV^0$）自旋缺陷的同位素纯化（99.85% $^{28}$Si, 99.98% $^{12}$C）4H-SiC p-i-n 二极管的影响。实验设置包括：

• 器件结构： 一种定制生长的 p-i-n 二极管，其本征区包含 $VV^0$ 缺陷，该二极管制造在 4° 偏角的 n 型衬底上。
• 电学调控： 团队通过对二极管施加偏置电压，使其从正向偏置转变为反向偏置，特别针对能够使电荷载流子和靠近缺陷的陷阱发生耗尽的耗尽机制（depletion regime）。
• 光学表征： 使用共振光致发光激发（PLE）来测量 $VV^0$ 发射的斯塔克位移（Stark shifts）和光学线宽。
• 自旋相干性测量：
  • 电子自旋： 对 $VV^0$ 电子自旋（$S=1$）进行 Ramsey 和 Hahn echo 序列实验，以测量不同偏置条件下的退相干速率（$T_2^*$ 和 $T_2$）。利用双量子（DQ）Ramsey 测量来隔离磁噪声的贡献。
  • 核自旋： 识别出一个相邻的 $^{29}$Si 核自旋（$I=1/2$），并通过对电子自旋进行动力学退耦（XY8 序列）对其进行相干控制。该核自旋经过初始化、操控，并通过 $VV^0$ 上的自旋-电荷转换（SCC）进行读取。
  • 长期稳定性： 进行长达 22.5 小时的扩展 Ramsey 测量，以观察慢速噪声动力学和核自旋弛豫（$T_1$）。

核心贡献与结果

1. 电学与磁噪声的同时耗尽： 研究表明，在反向偏置耗尽机制下（特别是在 -80 V 时）运行 SiC p-i-n 二极管，可以显著减少电噪声和磁噪声源。

   • 光学改进： $VV^0$ 的光学线宽从零偏置时的 ~80 MHz 窄至耗尽机制下的 18(1) MHz，接近自然线宽极限。
   • 电子自旋相干性： 电子自旋 Ramsey 相干时间（$T_2^*$）增加了约 50%，达到 320(30) $\mu$s；Hahn echo 时间（$T_2$）提升了 25%，达到 1.9(1) ms。双量子 Ramsey 测量证实，这种提升是由磁噪声的减少驱动的，而非仅仅是电噪声的减少。
   • 磁噪声来源： 作者将磁噪声的减少归因于通过电学耗尽了靠近缺陷的顺磁性电荷陷阱（如氮杂质和碳空位），从而将其转化为无自旋的电荷态。

2. 打破纪录的核自旋相干性： 通过利用降低后的磁噪声环境和“冻结核心”（frozen core）效应（即电子自旋处于 $m_s = -1$ 状态时会抑制向附近自旋的极化转移），作者实现了前所未有的单 $^{29}$Si 核自旋相干时间。

   • 弛豫： 核自旋弛豫时间（$T_1$）在耗尽机制下翻了一倍。
   • Ramsey 相干性： 当电子自旋准备在 $m_s = -1$ 态时，核自旋 $T_2^*$ 达到了 690(40) ms。
   • Hahn Echo 相干性： 最引人注目的是，测得的核自旋 Hahn echo 相干时间（$T_2$）下限为 105 秒（置信度为 99%）。这代表了迄今为止在任何量子平台（固态、原子或离子）上观测到的单自旋最长相干时间。

3. 标度律： 作者观察到一种标度关系，即核自旋 Ramsey 时间的增强与弛豫时间（$T_1$）的增强呈平方根相关（$T_2^*/T_2^* \approx \sqrt{T_1/T_1}$），这与微观自旋浴模型一致，即退相干和弛豫均源于同一组弱相互作用的磁性杂质。

意义
论文声称，这些结果证明了将材料控制与电子器件工程相结合的重要性。通过使用简单的半导体二极管结构在原位（in situ）耗尽噪声源，作者超越了仅靠材料生长优化的极限。该方法使得：

• 实现纪录级相干性： 在无需复杂的动力学退耦序列或特定的时钟转变点的情况下，实现了固态核自旋分钟级的相干时间。
• 可扩展性： 为在已成熟用于高功率电子领域的晶圆级 SiC 平台上，将经典电子控制与量子光电子学集成提供了路径。
• 量子网络： 通过在工程化器件中同时保持光学和自旋特性，为构建高度相干的量子节点和网络奠定了基础，有望克服纳米结构中常见的性能退化问题。

这项工作表明，对局部环境进行主动的电学工程是增强固态量子比特性能的有力工具，为实现高保真度量子信息处理和传感提供了一条途径。