論文の概要: Quantifying the limits of controllability for the nitrogen-vacancy electron spin defect
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2309.03120v2
- Date: Tue, 24 Sep 2024 20:28:04 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-11-09 14:40:04.664104
- Title: Quantifying the limits of controllability for the nitrogen-vacancy electron spin defect
- Title（参考訳）: 窒素空孔電子スピン欠陥の制御可能性限界の定量化
- Authors: Paul Kairys, Jonathan C. Marcks, Nazar Delegan, Jiefei Zhang, David D. Awschalom, F. Joseph Heremans,
- Abstract要約: 固体電子スピン量子ビットは、感度を高めデバイスコヒーレンスを改善するために、集団反転の制御配列に依存する。
量子センシングなどの応用における集団反転の限界と潜在的影響は定量的に評価されていない。
高忠実度多重パルス列に対するナノ秒制御の潜在的実現可能な機構を同定する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Solid-state electron spin qubits, like the nitrogen-vacancy center in diamond, rely on control sequences of population inversion to enhance sensitivity and improve device coherence. But even for this paradigmatic system, the fundamental limits of population inversion and potential impacts on applications like quantum sensing have not been assessed quantitatively. Here, we perform high accuracy simulations beyond the rotating wave approximation, including explicit unitary simulation of neighboring nuclear spins. Using quantum optimal control, we identify analytical pulses for the control of a qubit subspace within the spin-1 ground state and quantify the relationship between pulse complexity, control duration, and fidelity. We find exponentially increasing amplitude and bandwidth requirements with reduced control duration and further quantify the emergence of non-Markovian effects for multipulse sequences using sub-nanosecond population inversion. From this, we determine that the reduced fidelity and non-Markovianity is due to coherent interactions of the electron spin with the nuclear spin environment. Ultimately, we identify a potentially realizable regime of nanosecond control duration for high-fidelity multipulse sequences. These results provide key insights into the fundamental limits of quantum information processing using electron spin defects in diamond.
- Abstract（参考訳）: ダイヤモンドの窒素空孔中心のような固体電子スピン量子ビットは、感度を高めデバイスコヒーレンスを改善するために、集団反転の制御配列に依存している。
しかし、このパラダイムシステムでさえ、集団反転の基本的な限界と量子センシングのような応用に対する潜在的な影響は定量的に評価されていない。
ここでは、隣り合う核スピンの明示的なユニタリシミュレーションを含む、回転波近似を超えた高精度なシミュレーションを行う。
量子最適制御を用いて、スピン-1基底状態内の量子ビット部分空間の制御のための解析パルスを同定し、パルス複雑性、制御時間、忠実度の関係を定量化する。
制御期間を短縮した振幅と帯域幅の要求を指数関数的に増加させ,さらにサブナノ秒集団インバージョンを用いたマルチパルス列に対する非マルコフ効果の出現を定量化する。
このことから、還元された忠実度と非マルコフ性は、電子スピンと核スピン環境とのコヒーレントな相互作用に起因すると判定する。
最終的には、高忠実度多重パルス列に対するナノ秒制御の潜在的実現可能な機構を同定する。
これらの結果は、ダイヤモンドの電子スピン欠陥を用いた量子情報処理の基本的な限界に関する重要な洞察を与える。
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