論文の概要: Individual solid-state nuclear spin qubits with coherence exceeding seconds
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2410.10432v1
- Date: Mon, 14 Oct 2024 12:25:39 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-10-29 21:44:49.417785
- Title: Individual solid-state nuclear spin qubits with coherence exceeding seconds
- Title（参考訳）: コヒーレンス数秒を超える個々の固体核スピン量子ビット
- Authors: James O'Sullivan, Jaime Travesedo, Louis Pallegoix, Zhiyuan W. Huang, Alexande May, Boris Yavkin, Patrick Hogan, Sen Lin, Renbao Liu, Thierry Chaneliere, Sylvain Bertaina, Philippe Goldner, Daniel Esteve, Denis Vion, Patrick Abgrall, Patrice Bertet, Emmanuel Flurin,
- Abstract要約: 本稿ではEr$3+の結晶に隣接する183$Wの核スピン量子ビットからなる量子情報処理のための新しいプラットフォームを提案する。
我々は、Er$3+$スピンをアンシラとして使用して、各核スピン量子ビットの量子非退化読み出しを実演する。
我々は、電子-核スピン系のラマン駆動を刺激した全マイクロ波単量子ゲートと2量子ゲートの新たなスキームを導入する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 32.074397322439324
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: The ability to coherently control and read out qubits with long coherence times in a scalable system is a crucial requirement for any quantum processor. Nuclear spins in the solid state have shown great promise as long-lived qubits. Control and readout of individual nuclear spin qubit registers has made major progress in the recent years using individual electron spin ancilla addressed either electrically or optically. Here, we present a new platform for quantum information processing, consisting of $^{183}$W nuclear spin qubits adjacent to an Er$^{3+}$ impurity in a CaWO$_4$ crystal, interfaced via a superconducting resonator and detected using a microwave photon counter at 10mK. We study two nuclear spin qubits with $T_2^*$ of $0.8(2)~$s and $1.2(3)~$s, $T_2$ of $3.4(4)~$s and $4.4(6)~$ s, respectively. We demonstrate single-shot quantum non-demolition readout of each nuclear spin qubit using the Er$^{3+}$ spin as an ancilla. We introduce a new scheme for all-microwave single- and two-qubit gates, based on stimulated Raman driving of the coupled electron-nuclear spin system. We realize single- and two-qubit gates on a timescale of a few milliseconds, and prepare a decoherence-protected Bell state with 88% fidelity and $T_2^*$ of $1.7(2)~$s. Our results are a proof-of-principle demonstrating the potential of solid-state nuclear spin qubits as a promising platform for quantum information processing. With the potential to scale to tens or hundreds of qubits, this platform has prospects for the development of scalable quantum processors with long-lived qubits.
- Abstract（参考訳）: スケーラブルなシステムにおいて、長いコヒーレンス時間で量子ビットをコヒーレントに制御し、読み取る能力は、あらゆる量子プロセッサにとって重要な要件である。
固体状態の核スピンは、長寿命の量子ビットとして大きな可能性を示してきた。
個々の核スピン量子ビットレジスタの制御と読み出しは、電気的にも光学的にも、個々の電子スピンアンシラを用いて近年大きく進歩している。
本稿では,CaWO$_4$結晶中のEr$^{3+}$不純物に隣接する$^{183}$W核スピン量子ビットからなる量子情報処理のための新しいプラットフォームについて述べる。
我々は、それぞれ$T_2^*$ of $0.8(2)~$s, $1.2(3)~$s, $T_2$ of $3.4(4)~$s, $4.4(6)~$sの2つの核スピン量子ビットについて研究する。
我々は、Er$^{3+}$ spin をアンシラとして使用して、各核スピン量子ビットの単一ショット量子非退化読み出しを実演する。
我々は、電子-核スピン系のラマン駆動を刺激した全マイクロ波単量子ゲートと2量子ゲートの新たなスキームを導入する。
我々は,数ミリ秒のタイムスケールで単一および2量子ゲートを実現し,88%の忠実度とT_2^*$1.7(2)~$sのデコヒーレンス保護ベル状態を作成する。
我々の結果は、量子情報処理のための有望なプラットフォームとして固体核スピン量子ビットの可能性を実証する原理実証である。
数十から数百の量子ビットにスケールする可能性があるため、このプラットフォームは長期間の量子ビットを持つスケーラブルな量子プロセッサの開発を予定している。
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