論文の概要: A First-principles Computational Framework for Quantum Decoherence in Complex Diamond Spin Environments
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2608.02846v1
- Date: Mon, 03 Aug 2026 20:03:33 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-08-05 15:30:22.941042
- Title: A First-principles Computational Framework for Quantum Decoherence in Complex Diamond Spin Environments
- Title（参考訳）: 複雑なダイヤモンドスピン環境における量子デコヒーレンスのための第一原理計算フレームワーク
- Abstract要約: 欠陥によって引き起こされる量子デコヒーレンスは、固体量子技術の大きな限界である。
本研究では, 第一原理電子構造計算, 量子多体スピンバスシミュレーション, 実験的検証を組み合わせたダイヤモンドのデコヒーレンス予測フレームワークを開発した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 6.608341476356511
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Quantum decoherence induced by defects remains a major limitation for solid-state quantum technologies, yet predicting decoherence in realistic materials remains computationally challenging. Complex defect populations are often approximated as homogeneous spin baths, obscuring the role of defect-specific electronic structure and spin dynamics. Here, we develop a predictive framework for decoherence in diamond by combining first-principles electronic-structure calculations, quantum many-body spin-bath simulations, and experimental validation. The framework incorporates defect-resolved spin Hamiltonians and heterogeneous spin baths containing multiple paramagnetic defect species. Using diamond nitrogen-vacancy ensembles as a model platform, we investigate mixed nitrogen-, vacancy-, and hydrogen-related defect environments. We show that decoherence depends not only on defect density but also on defect identity and bath composition, whose distinct electronic structures, hyperfine interactions, and spin dynamics produce different coherence behavior. Heterogeneous defect populations can either suppress or enhance decoherence, producing trends unexplained by homogeneous-bath models. Magnetic-field-dependent Hahn-echo measurements on samples with different defect concentrations validate the framework. The calculations reproduce the observed coherence times and stretched-exponential decay behavior across a broad magnetic-field range and identify vacancy-related defects as critical contributors beyond the conventionally assumed P1 spin bath. By linking atomistic defect properties to quantum coherence, our framework provides a predictive route for identifying hidden defect environments and optimizing decoherence in defect-based quantum materials.
- Abstract（参考訳）: 欠陥によって引き起こされる量子デコヒーレンス(英語版)は固体量子技術の大きな限界であり続けているが、現実的な材料におけるデコヒーレンスを予測することは計算的に困難である。
複雑な欠陥集団は、しばしば均質なスピン浴として近似され、欠陥特異的電子構造とスピンダイナミクスの役割を隠蔽する。
本稿では,第一原理電子構造計算,量子多体スピンバスシミュレーション,実験的検証を組み合わせたダイヤモンドのデコヒーレンス予測フレームワークを開発した。
このフレームワークは、欠陥解決されたスピンハミルトニアンと、複数の常磁性欠陥種を含む異種スピン浴を含んでいる。
モデルプラットフォームとしてダイヤモンド窒素空孔アンサンブルを用い, 混合窒素, 空孔, 水素関連欠陥環境について検討した。
我々は,デコヒーレンスが欠陥密度だけでなく,電子構造,超微細相互作用,スピンダイナミクスが異なるコヒーレンス挙動を生じさせる欠陥の同一性や浴室組成にも依存することを示した。
不均一な欠陥集団は、デコヒーレンスを抑えるか、強化することができる。
欠陥濃度の異なる試料の磁場依存性 Hahn-echo 測定は、この枠組みを検証する。
これらの計算は、観測されたコヒーレンス時間と幅広い磁場範囲にわたる伸張指数減衰挙動を再現し、空孔関連欠陥を、従来想定されていたP1スピン浴を超える重要な寄与物として同定する。
原子性欠陥特性を量子コヒーレンスにリンクすることにより、隠れた欠陥環境を特定し、欠陥ベースの量子材料におけるデコヒーレンスを最適化するための予測経路を提供する。
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