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

技术摘要：利用碳化硅中的色心实现无射频驱动的核自旋控制

问题陈述
基于色心（如在碳化硅 SiC 中）的量子器件通常利用附近的核自旋作为量子存储器或辅助量子比特。然而，对这些核自旋进行常规操纵需要较强的射频（RF）场，因为它们的磁矩非常微弱。射频场的引入增加了实验复杂性、功耗以及热漂移，尤其是在低温环境下。一个显著的挑战在于寻找一种能够仅使用单一微波（MW）源即可对电子自旋和核自旋进行相干控制的系统，从而消除对额外射频硬件的需求。

方法论
作者研究了一种改良的 4H-碳化硅（SiC）双空位中心，特别是 PL6 中心。该研究利用了一个与附近核自旋（确定为 $^{13}$C，耦合强度约为 6.7 MHz）强耦合的单个 PL6 中心。实验装置采用自建的共聚焦显微镜系统在室温下运行，使用 940 nm 激光进行激发，并利用微波脉冲进行自旋操纵。

核心方法论依赖于将外部施加磁场相对于缺陷量子轴进行精确倾斜。通过范弗莱克（Van Vleck）微扰理论进行理论建模，推导出了核自旋在 $m_s=0$ 基态子空间内的有效哈密顿量。该模型表明，倾斜的磁场（$B_\perp \neq 0$）会激活超精细相互作用介导效应。具体而言，横向分量场结合超精细耦合，会在 $m_s=0$ 与 $m_s=\pm1$ 流形之间诱导混合。这种混合产生了一个有效的横向场，在无需直接射频激发的条件下驱动核自旋进动。

实验方案包括：

1. 初始化： 通过激光脉冲和针对电子自旋的自旋选择性微波 $\pi$ 脉冲对核自旋进行极化。
2. 驱动： 应用微波脉冲驱动电子自旋，从而通过超精细增强的进动机制同时操纵核自旋。
3. 读取： 将核自旋状态映射回电子自旋，进行光学读取。
4. 表征： 执行 Ramsey 和 Hahn 回波序列以测量相干时间（$T_2^*$ 和 $T_2$），并通过量子态层析成像（QST）验证门保真度。

主要贡献与结果

• 无射频核控制： 作者展示了仅通过微波脉冲和精确倾斜的磁场实现对耦合核自旋的相干控制，消除了对射频源的需求。核自旋进动是通过电子自旋经由超精细增强效应驱动的。
• 高保真度控制： 该系统实现了高保真度的操作。测得电子自旋的单比特门保真度为 97%，核自旋为 93%。用于纠缠电子-核系统的两比特量子态层析成像保真度为 89%。
• 延长的相干时间： 核自旋充当了鲁棒的量子存储器。测得的纯去相位时间（$T_2^{*, \text{Nucl}}$）为 $102.2 \pm 7.2$ $\mu$s，自旋回波相干时间（$T_2^{\text{Nucl}}$）为 $151.0 \pm 6.9$ $\mu$s。这些数值分别比相应的电子自旋相干时间长约 30 倍和 6 倍，表明核相干主要受限于电子自旋的 $T_1$。
• 磁场对齐： 研究表明，核自旋进动频率和对比度对外部磁场的倾斜角度高度敏感。这种敏感性使核自旋本身可以作为精确磁场对齐的探针，从而识别出一个“甜点”（sweet spot），在该点处，倾斜角能最大化可观测到的振荡对比度，同时保持适中的进动频率。
• 极化： 研究表明，通过重复应用初始化序列，可以将核自旋极化到极高程度（高达 95.5%），从而有效地抑制核自旋态之间的跃迁。

意义
论文声称，这种方法为未来的量子应用提供了一条简化且可扩展的路径。通过实现无需射频场的核自旋控制，该方法降低了实验复杂性和功耗。利用单一微波源实现高保真度控制和长相干时间的能力，使得 SiC 中的 PL6 中心成为量子传感、计算和网络平台的有力竞争者，特别是在需要室温运行或集成到可扩展光子结构中的应用场景中。这项工作确立了 PL6 中心能够匹配经过长期研究的钻石 NV 色心的性能，同时具备 SiC 的 CMOS 兼容性和生物窗口发射等优势。