論文の概要: Coherent Microwave Control of Optically Addressable Donor Qubits in ZnO

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2606.19016v1
• Date: Wed, 17 Jun 2026 12:39:08 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-06-25 09:04:59.563719
• Title: Coherent Microwave Control of Optically Addressable Donor Qubits in ZnO
• Title（参考訳）: ZnOにおける光アドレスドナービットのコヒーレントマイクロ波制御
• Authors: Ethan R. Hansen, Dong-Rong Wu, Yixuan Li, Yaser Silani, Joseph Falson, Yusuke Kozuka, Masashi Kawasaki, Yuan Ping, Kai-Mei C Fu,
• Abstract要約: 光学的に対応可能な浅いドナー inO は、効率的なスピン選択光学遷移と、イソトピー的に精製可能なホスト格子における長いスピンコヒーレンスのポテンシャルを結合する。 ここでは115mathrmIn$ donors inOと超高速光パルスのコヒーレントマイクロ波制御を実証する。 より広義には、コヒーレントマイクロ波制御はナノスケールの不均一なデファスティングを持つ光アドレス可能なスピンシステムにおいて達成可能であることを証明している。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 11.788757399024002
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Optically addressable shallow donors in ZnO combine efficient spin-selective optical transitions with the potential for long spin coherence in an isotopically purifiable host lattice, making them an attractive platform for spin-photon quantum technologies. A key missing capability, however, has been coherent control beyond the small-angle rotations accessible with ultrafast optical pulses. Here we demonstrate coherent microwave control of implanted $^{115}\mathrm{In}$ donors in ZnO. Resonant optical pumping initializes and reads out the donor electron spin. Pulsed optically-detected magnetic resonance resolves the ten hyperfine transitions associated with the coupled $^{115}\mathrm{In}$ nuclear spin (I = 9/2) and reveals optical-pumping-induced nuclear spin polarization. We observe coherent Rabi oscillations with a maximum Rabi frequency of $Ω/2π= 36.2 \pm 0.7$\;MHz, corresponding to a $π$-pulse time of 13.8$\pm$0.3\;ns, and characterize the spin coherence using Ramsey, Hahn echo and dynamical-decoupling measurements. Unexpectedly, the measured coherence is substantially shorter than reported in previous optical studies of donor spins in ZnO at high magnetic field. Control experiments rule out several simple explanations including microwave heating and instantaneous diffusion from the driven donor ensemble, leaving an open question regarding the origin of decoherence at low magnetic field in microwave-controlled ZnO donors. These results establish microwave control of ZnO donor qubits with resonant optical access to specific donor species. More broadly, they demonstrate that coherent microwave control can be achieved in optically addressable spin systems with nanosecond-scale inhomogeneous dephasing, enabling field-, temperature-, and materials-dependent studies of coherence-limiting mechanisms and the development of optically interfaced electron-nuclear spin registers.
• Abstract（参考訳）: ZnOの光学的にアドレス化可能な浅いドナーは、効率的なスピン選択光学遷移と、イソトピー的に精製可能なホスト格子における長いスピンコヒーレンスの可能性を組み合わせることで、スピン光量子技術の魅力的なプラットフォームとなる。 しかし、重要な欠点は、超高速光パルスでアクセス可能な小角回転以外のコヒーレント制御である。 ここでは,ZnOに移植した$^{115}\mathrm{In}$ドナーのコヒーレントマイクロ波制御を実証する。 共鳴光ポンピングはドナー電子スピンを初期化し読み出す。 パルス光検出磁気共鳴は、結合された$^{115}\mathrm{In}$核スピン(I = 9/2)に関連する10個の超微細遷移を解消し、光ポンピング誘起核スピン分極を明らかにする。 最大ラビ周波数が Ω/2π= 36.2 \pm 0.7$\;MHz のコヒーレントラビ振動は 13.8$\pm$0.3\;ns の$π$パルス時間に対応する。 明らかに、測定されたコヒーレンスは、高磁場下でのZnO中のドナースピンの以前の光学的研究で報告されたよりもかなり短い。 制御実験はマイクロ波加熱と駆動ドナーアンサンブルからの瞬時拡散を含むいくつかの簡単な説明を除外し、マイクロ波制御されたZnOドナーにおける低磁場におけるデコヒーレンスの起源に関するオープンな疑問を残した。 これらの結果は、特定のドナー種に対する共鳴光学的アクセスを持つZnOドナー量子ビットのマイクロ波制御を確立する。 より広義には、コヒーレントマイクロ波制御は、ナノ秒スケールの不均一な劣化を伴う光アドレス可能なスピンシステムにおいて達成され、コヒーレンス・リミッタリング機構の場、温度、材料に依存した研究を可能にし、光インターフェースされた電子核スピンレジスタの開発を可能にする。

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