論文の概要: Cavity quantum electrodynamic readout of a solid-state spin sensor

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2003.01104v1
• Date: Mon, 2 Mar 2020 18:57:40 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-05-31 12:12:54.048236
• Title: Cavity quantum electrodynamic readout of a solid-state spin sensor
• Title（参考訳）: 固体スピンセンサのキャビティ量子電気力学的読み出し
• Authors: Erik R. Eisenach, John F. Barry, Michael F. O'Keeffe, Jennifer M. Schloss, Matthew H. Steinecker, Dirk R. Englund, and Danielle A. Braje
• Abstract要約: 固体スピンセンサーには、普遍的で高忠実な読み出し技術がない。 誘電体マイクロ波空洞への強い結合を通じて窒素空洞(NV)中心の集合体を高忠実で室温で読み取る方法を示した。 以上の結果から, アンサンブルサイズの増大, スピン共鳴線幅の縮小, キャビティ品質の向上などにより, 固体スピンセンサの単体読み出し精度を実現するための明確な経路が得られた。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Robust, high-fidelity readout is central to quantum device performance. Overcoming poor readout is an increasingly urgent challenge for devices based on solid-state spin defects, particularly given their rapid adoption in quantum sensing, quantum information, and tests of fundamental physics. Spin defects in solids combine the repeatability and precision available to atomic and cryogenic systems with substantial advantages in compactness and range of operating conditions. However, in spite of experimental progress in specific systems, solid-state spin sensors still lack a universal, high-fidelity readout technique. Here we demonstrate high-fidelity, room-temperature readout of an ensemble of nitrogen-vacancy (NV) centers via strong coupling to a dielectric microwave cavity, building on similar techniques commonly applied in cryogenic circuit cavity quantum electrodynamics. This strong collective interaction allows the spin ensemble's microwave transition to be probed directly, thereby overcoming the optical photon shot noise limitations of conventional fluorescence readout. Applying this technique to magnetometry, we show magnetic sensitivity approaching the Johnson-Nyquist noise limit of the system. This readout technique is viable for the many paramagnetic spin systems that exhibit resonances in the microwave domain. Our results pave a clear path to achieve unity readout fidelity of solid-state spin sensors through increased ensemble size, reduced spin-resonance linewidth, or improved cavity quality factor.
• Abstract（参考訳）: 堅牢で高忠実な読み出しは、量子デバイスのパフォーマンスの中心である。 特に量子センシング、量子情報、基礎物理学のテストに急速に採用されていることを考えると、読み出しの貧弱さは、固体スピン欠陥に基づくデバイスにとってますます緊急の課題である。 固体のスピン欠陥は、原子系や低温系で利用できる再現性と精度を、コンパクト性や操作条件の範囲において大きな利点と組み合わせている。 しかし、特定のシステムの実験的な進歩にもかかわらず、固体スピンセンサーには普遍的で高忠実な読み出し技術がない。 ここでは, 極低温回路共振器量子電磁力学でよく用いられる同様の手法に基づいて, 誘電体マイクロ波共振器への強い結合により, 窒素空孔(nv)中心の高忠実性, 室温読み出しを実証する。 この強い集団相互作用により、スピンアンサンブルのマイクロ波遷移を直接観測することができ、従来の蛍光読み出しの光子ショットノイズの限界を克服することができる。 この手法を磁気計測に応用し,ジョンソン-ナイキスト系のノイズ限界に接近する磁気感度を示す。 この読み出し技術は、マイクロ波領域に共鳴を示す多くの常磁性スピン系に有効である。 以上の結果から, 固体スピンセンサの均一な読み出し精度を実現するために, アンサンブルサイズ, スピン共振ライン幅の低減, キャビティ品質因子の改善などを行った。

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