論文の概要: Towards second-long electron spin coherence of a telecom quantum emitter in naturally abundant CeO$_2$
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.07332v1
- Date: Fri, 08 May 2026 06:36:32 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-05-11 19:43:38.86489
- Title: Towards second-long electron spin coherence of a telecom quantum emitter in naturally abundant CeO$_2$
- Title（参考訳）: 自然に豊富なCeO$_2$におけるテレコム量子エミッタの2次電子スピンコヒーレンスに向けて
- Authors: Basanta Mistri, Vishal Ranjan, Siddharth Dhomkar,
- Abstract要約: エルビウムドープ酸化セリウム(CeO$$)は、ホストマトリックス中の核スピンの超低濃度のため魅力的な候補である。
希薄ドーピング濃度(約10ppb)とケルビン以下の温度では,クロック遷移近傍での動作により,コヒーレンス時間が第2の時間スケールに近づくことが示されている。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Rare-earth-ion-doped crystals has emerged as a promising platform for quantum technologies, owing to their narrow telecom-band optical emission, long spin memory, and compatibility with silicon integrated photonic architectures. However, the realization of scalable quantum devices requires host materials with intrinsically dilute spin environments to suppress decoherence. In this context, erbium (Er$^{3+}$) doped cerium oxide (CeO$_2$) is an attractive candidate due to the ultra-low concentration of nuclear spins in the host matrix and its compatibility with silicon-based technologies. Here we perform a comprehensive investigation of the coherence properties of Er$^{3+}$ electron spin qubit in CeO$_2$ via semiclassical as well as detailed cluster correlation expansion simulations. By systematically exploring magnetic field strength, pulse sequences, erbium concentration, and spin temperature, we identify regimes where decoherence from the spin bath is strongly suppressed. Our investigations illustrate that at dilute doping concentration (of the order of 10 ppb) and sub-Kelvin temperatures, operation near clock transitions enables Hahn-echo coherence times to approach the second timescale even at natural isotopic abundance. Importantly, from a practical standpoint, coherence times on the order of $\sim 10$ ms are expected even at liquid helium temperature (about 2 K) for similar concentrations. Moreover, we demonstrate that an additional enhancement can be obtained with conventional multi-$π$-pulse dynamical decoupling protocols. Thus, our findings establish Er$^{3+}$ doped CeO$_2$ as a front-runner for realizing spin qubits, quantum memories, and integrated quantum networks.
- Abstract（参考訳）: 希土類イオンドープ結晶は、狭いテレコムバンド光放射、長いスピンメモリ、シリコン集積フォトニックアーキテクチャとの互換性のため、量子技術のための有望なプラットフォームとして登場した。
しかし、スケーラブルな量子デバイスの実現には、本質的に希薄なスピン環境を持つホスト材料がデコヒーレンスを抑制する必要がある。
この文脈において、エルビウム (Er$^{3+}$) ドープセリウム酸化セリウム (CeO$_2$) は、ホストマトリックス中の核スピンの超低濃度とシリコンベースの技術との相性に起因する魅力的な候補である。
ここでは,Er$^{3+}=電子スピン量子ビットの半古典的および詳細なクラスタ相関展開シミュレーションによるコヒーレンス特性の包括的検討を行う。
磁場強度, パルスシーケンス, エルビウム濃度, スピン温度を系統的に調べることで, スピン浴からの脱コヒーレンスを強く抑制する機構を同定する。
本研究は, 希薄ドーピング濃度 (10ppb) とサブケルビン温度 (サブケルビン温度) において, 時計転移近傍での動作により, 自然同位体量においても, ハーン・エチョのコヒーレンス時間を2次時間スケールに近づけることができることを示した。
実用の観点からは、同じ濃度の液体ヘリウム温度(約2K)でも、$\sim 10$ msのコヒーレンス時間が期待できる。
さらに,従来のマルチ$π$パルス動的デカップリングプロトコルにより,さらなる拡張が得られることを示す。
したがって, スピン量子ビット, 量子メモリ, 集積量子ネットワークを実現するための最前線として, Er$^{3+}$ doped CeO$_2$を確立した。
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