論文の概要: Quantum decoherence of nitrogen-vacancy spin ensembles in a nitrogen spin bath in diamond under dynamical decoupling

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2503.05404v1
• Date: Fri, 07 Mar 2025 13:27:27 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-03-10 12:20:42.973315
• Title: Quantum decoherence of nitrogen-vacancy spin ensembles in a nitrogen spin bath in diamond under dynamical decoupling
• Title（参考訳）: 動的脱カップリング下におけるダイヤモンド中の窒素スピン浴中の窒素空転スピンアンサンブルの量子デコヒーレンス
• Authors: Huijin Park, Mykyta Onizhuk, Eunsang Lee, Harim Lim, Junghyun Lee, Sangwon Oh, Giulia Galli, Hosung Seo,
• Abstract要約: ダイヤモンド中の負電荷窒素空孔(NV)中心は量子技術応用のための主要な量子ビットプラットフォームとして出現している。 NVベースの量子応用の鍵となる課題の1つは、そのデコヒーレンス特性とその量子的性質を予測するための正確なモデルを構築することである。 本研究では,窒素ドナー浴の存在下でのNV脱コヒーレンスダイナミクスを考察するために理論と実験を組み合わせる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.068744665072063
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• Abstract: The negatively charged nitrogen-vacancy (NV) center in diamond has emerged as a leading qubit platform for quantum technology applications. One of the key challenges for NV-based quantum applications is building an accurate model to predict its decoherence properties and their quantum nature. In this study, we combine theory and experiment to investigate NV decoherence dynamics in the presence of nitrogen donor (P1 center) baths, which is one of the dominant decoherence sources in diamond. We employ a cluster-correlation expansion (CCE) method to compute the NV decoherence under the Hahn-echo (HE) and Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) pulse sequences at various P1 concentrations from 1ppm to 300 ppm. We show that the coherence time (T2) increases with the number of pi pulses applied, indicating that the NV spin is decoupled from the P1 bath. Notably, we find that T2 scales quadratically as a function of the pulse number, on a logarithmic scale, as opposed to the linear scaling predicted by widely accepted semi-classical theories in the literature. In our experiment, we measure the CPMG signal for two diamond samples with high P1 concentrations of 0.8ppm and 13ppm. We demonstrate that the T2 scaling is indeed quadratic, thus confirming our theoretical predictions. Our results show that the quantum bath model combined with the CCE method can accurately capture the quantum nature of the P1-driven NV decoherence. Our study opens a new avenue for developing a complete noise model that could be used to optimize the performance of NV-based quantum devices.
• Abstract（参考訳）: ダイヤモンド中の負電荷窒素空孔(NV)中心は量子技術応用のための主要な量子ビットプラットフォームとして出現している。 NVベースの量子応用の鍵となる課題の1つは、そのデコヒーレンス特性とその量子的性質を予測するための正確なモデルを構築することである。 本研究では, ダイヤモンドの主要な脱コヒーレンス源の一つである窒素ドナー(P1中心)浴におけるNV脱コヒーレンスダイナミクスの解明を目的として, 理論と実験を組み合わせる。 我々はクラスタ相関展開(CCE)法を用いて1ppmから300ppmの様々なP1濃度でHhn-echo(HE)およびCarr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)パルス列のNVデコヒーレンスを計算する。 また, コヒーレンス時間(T2)は, 適用したπパルス数とともに増加し, NVスピンがP1浴から切り離されることを示す。 特に、T2は、文献で広く受け入れられている半古典理論によって予測される線形スケーリングとは対照的に、対数スケールでパルス数の関数として二次的にスケールする。 実験では,P1濃度が0.8ppm,13ppmの2つのダイヤモンド試料についてCPMG信号を測定した。 我々は、T2スケーリングが確かに二次的であることを証明し、理論的予測を確認した。 以上の結果から,CCE法と組み合わせた量子バスモデルにより,P1駆動型NVデコヒーレンスの量子特性を正確に把握できることが示唆された。 我々の研究は、NVベースの量子デバイスの性能を最適化するために使用できる完全なノイズモデルを開発するための新しい道を開く。

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