論文の概要: Lifetime-limited Gigahertz-frequency Mechanical Oscillators with Millisecond Coherence Times
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.07523v2
- Date: Sat, 12 Apr 2025 03:36:37 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-04-15 10:02:48.824511
- Title: Lifetime-limited Gigahertz-frequency Mechanical Oscillators with Millisecond Coherence Times
- Title（参考訳）: ミリ秒コヒーレンス時間を有する寿命限定ギガヘルツ振動子
- Authors: Yizhi Luo, Hilel Hagai Diamandi, Hanshi Li, Runjiang Bi, David Mason, Taekwan Yoon, Xinghan Guo, Hanlin Tang, Ryan O. Behunin, Frederick J. Walker, Charles Ahn, Peter T. Rakich,
- Abstract要約: 量子アプリケーションに必要なコヒーレンス時間は、フォノンデコヒーレンス(英語版)の物質起源を調査するために、極めて敏感な新しい技術を必要とする。
我々は、非侵襲レーザー分光法と材料分析を組み合わせることで、結晶性媒体におけるフォノン脱コヒーレンスの鍵源を同定する。
我々は、高周波量子メモリの基礎として、100ms以上のコヒーレンス時間への経路を同定する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.2502924738276855
- License:
- Abstract: High-frequency mechanical oscillators with long coherence times are essential to realizing a variety of high-fidelity quantum sensors, transducers, and memories. However, the unprecedented coherence times needed for quantum applications require exquisitely sensitive new techniques to probe the material origins of phonon decoherence and new strategies to mitigate decoherence in mechanical oscillators. Here, we combine non-invasive laser spectroscopy techniques with materials analysis to identify key sources of phonon decoherence in crystalline media. Using micro-fabricated high-overtone bulk acoustic-wave resonators ($\mu$HBARs) as an experimental testbed, we identify phonon-surface interactions as the dominant source of phonon decoherence in crystalline quartz; lattice distortion, subsurface damage, and high concentration of elemental impurities near the crystal surface are identified as the likely causes. Removal of this compromised surface layer using an optimized polishing process is seen to greatly enhance coherence times, enabling $\mu$HBARs with Q-factors of > 240 million at 12 GHz frequencies, corresponding to > 6 ms phonon coherence times and record-level f-Q products. Complementary phonon linewidth and time-domain ringdown measurements, performed using a new Brillouin-based pump-probe spectroscopy technique, reveal negligible dephasing within these oscillators. Building on these results, we identify a path to > 100 ms coherence times as the basis for high-frequency quantum memories. These findings clearly demonstrate that, with enhanced control over surfaces, dissipation and noise can be significantly reduced in a wide range of quantum systems.
- Abstract（参考訳）: 長いコヒーレンス時間を持つ高周波メカニカル発振器は、様々な高忠実度量子センサ、トランスデューサ、記憶の実現に不可欠である。
しかし、量子アプリケーションに必要な前例のないコヒーレンス時間には、フォノンデコヒーレンス(英語版)の物質起源を探索するための極めて敏感な新しい技術と、機械振動子におけるデコヒーレンスを緩和するための新しい戦略が必要である。
ここでは,非侵襲レーザー分光法と材料分析を併用して,結晶性媒体におけるフォノン脱コヒーレンスの原因を同定する。
実験ベッドとしてマイクロファブリケード高オーバートンバルクアコースティック波共振器(\mu$HBARs)を用い, 結晶石英中のフォノン脱コヒーレンスの主源としてフォノン-表面相互作用を同定した。
最適化された研磨プロセスを用いて表面層を除去することにより、コヒーレンス時間を大幅に向上し、フォノンコヒーレンス時間と記録レベルのf-Q製品に対応して、Q-factors > 240Mの$\mu$HBARsを12GHz帯で実現した。
補体フォノン線幅と時間領域リングダウンの測定は、新しいブリルアン型ポンププローブ分光法を用いて行われ、これらの発振器内では無視できない劣化が明らかとなった。
これらの結果に基づいて、高周波数量子メモリの基礎として、100ms以上のコヒーレンス時間への経路を同定する。
これらの結果は、表面の制御が強化されたことにより、広範囲の量子システムにおいて、散逸とノイズが著しく低減できることを明らかに示している。
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