論文の概要: Nuclear spin-wave quantum register for a solid state qubit

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2108.12723v1
• Date: Sun, 29 Aug 2021 00:27:01 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-03-16 21:14:28.348795
• Title: Nuclear spin-wave quantum register for a solid state qubit
• Title（参考訳）: 固体量子ビットのための核スピン波量子レジスタ
• Authors: Andrei Ruskuc, Chun-Ju Wu, Jake Rochman, Joonhee Choi and Andrei Faraon
• Abstract要約: 核スピンリッチホストにおけるコヒーレント量子系は、量子情報応用のためのより広い範囲の物質を探索することができる。 我々は、隣り合う51V5+格子イオンのマルチレベル核スピン状態を操作するための堅牢な量子制御プロトコルを開発した。 我々のプラットフォームは決定論的かつ再現可能であり、全ての171Yb量子ビットに対して同じ量子レジスタを保証する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.120672897353664
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Solid-state nuclear spins surrounding individual, optically addressable qubits provide a crucial resource for quantum networks, computation and simulation. While hosts with sparse nuclear spin baths are typically chosen to mitigate qubit decoherence, developing coherent quantum systems in nuclear spin-rich hosts enables exploration of a much broader range of materials for quantum information applications. The collective modes of these dense nuclear spin ensembles provide a natural basis for quantum storage, however, utilizing them as a resource for single spin qubits has thus far remained elusive. Here, by using a highly coherent, optically addressed 171Yb3+ qubit doped into a nuclear spin-rich yttrium orthovanadate crystal, we develop a robust quantum control protocol to manipulate the multi-level nuclear spin states of neighbouring 51V5+ lattice ions. Via a dynamically-engineered spin exchange interaction, we polarise this nuclear spin ensemble, generate collective spin excitations, and subsequently use them to implement a long-lived quantum memory. We additionally demonstrate preparation and measurement of maximally entangled 171Yb--51V Bell states. Unlike conventional, disordered nuclear spin based quantum memories, our platform is deterministic and reproducible, ensuring identical quantum registers for all 171Yb qubits. Our approach provides a framework for utilising the complex structure of dense nuclear spin baths, paving the way for building large-scale quantum networks using single rare-earth ion qubits.
• Abstract（参考訳）: 個々の量子ビットを取り囲む固体核スピンは量子ネットワーク、計算、シミュレーションにとって重要な資源となる。 希少な核スピン浴を持つホストは通常、量子ビットデコヒーレンスを緩和するために選択されるが、核スピンリッチホストにおけるコヒーレント量子システムの開発は、量子情報応用のためのより広い範囲の物質を探索することができる。 これらの高密度核スピンアンサンブルの集合モードは、量子記憶の自然な基盤を提供するが、単一スピン量子ビットの資源として利用することは、これまでも解明されてきた。 ここでは、高コヒーレントで光学的にアドレス付けられた171Yb3+量子ビットを核スピンリッチイットリウムオクタネート結晶にドープすることで、隣り合う51V5+格子イオンの多レベル核スピン状態を操作するための堅牢な量子制御プロトコルを開発する。 動的にエンジニアリングされたスピン交換相互作用により、この核スピンアンサンブルを分極し、集合的なスピン励起を生成し、長い寿命の量子メモリを実装する。 また,最大絡み合った171Yb--51V Bell状態の調製と測定を行った。 従来の混乱した核スピンベースの量子メモリとは異なり、我々のプラットフォームは決定論的かつ再現可能であり、全ての171Yb量子ビットに対して同じ量子レジスタを保証する。 このアプローチは、密度の高い核スピン浴の複雑な構造を利用するための枠組みを提供し、単一の希土類イオン量子ビットを用いた大規模量子ネットワーク構築の道を開く。

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