Präzise und robuste Quantengatter für Spin-Qubits in Diamant-NV Zentren

• Antragsteller: Professor Dr. Dieter Suter
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 240594411

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Quantenmechanische Systeme bieten eine Reihe von attraktiven Möglichkeiten für die Speicherung, Übertragung und Verarbeitung von Daten. Eine der größten Herausforderung liegt in der Präzision, mit der die Daten verarbeitet werden: die Abweichung zwischen der mathematisch exakten und der tatsächlichen, im physikalischen System umgesetzten Operation, muss sehr klein sein. Außerdem muss die Übereinstimmung auch bei endlicher Präzision der angewandten Kontrollfelder und in der Gegenwart von externen Störungen sehr hoch bleiben, da diese nie vollständig unterdrückt werden können. Ziel des vorliegenden Projekts war die Entwicklung und Verbesserung von Methoden und Techniken, welche diese Ziele am Beispiel des Stickstoff-Leerstellen Zentrums (NV-Zentrum) in Diamant umsetzen, insbesondere an Quantensystemen, welche aus unterschiedlichen Arten von Quantenbits bestehen - in unserem Fall Elektronen- und Kernspins. Die Ziele wurden weitgehend erreicht: es gelang uns, die Präzision von Quantengattern wesentlich zu verbessern. Für die Entkopplung der Quantenbits vom Rauschen der Umgebung verwendeten wir Entkopplungssequenzen (dynamical decoupling). Diese mussten so angepasst werden, dass sie zwar die unerwünschten Störungen, nicht aber die notwendigen Kontrollfelder unterdrückt. In allen Fällen verwendeten wir sogenannte robuste Pulssequenzen, welche angepasst wurden, um experimentelle Abweichungen der Kontrollfelder möglichst so weit als möglich zu kompensieren. Der größte Teil unserer Arbeit befasste sich spezielle mit hybriden Quantenregistern: diese bestehen aus unterschiedlichen Arten von qubits, in unserem Fall Elektronen- und Kernspins. Die wichtigsten Herausforderungen dieses Systems liegen in den unterschiedlichen Kopplungsstärken, welche sich um mehr als 3 Größenordnungen unterscheiden. Dies führt unter anderem dazu, dass Kotrollfelder, welche die Gatteroperationen der Kernspins implementieren nicht nur diese, sondern auch die Elektronenspins beeinflussen, wobei der Effekt nich-linear ist. Ein weiteres Problen liegt darin, dass die Dauer eines Quantengatters für Kernspins oft sehr lang ist, so dass die Kohärenz von Elektronenspins während dieser Zeit teilweise zerfällt. Wir konnten zeigen, dass es möglich ist, beide Problem gleichzeitig zu lösen, indem wir auf die Anwendungen von Radiofrequenzfeldern verzichten. Beide Arten von Spins werden nur noch durch Mikrowellenpulse kontrolliert, welche auf die Elektronenspins wirken. Die Gatter für die Kernspins werden dann aus einer Kombination von Mikrowellenpulsen unter freier Evolution unter dem Einfluss der Hyperfeinwechselwirkung erzeugt. Voraussetzung für die Anwendung dieser Technik ist eine genaue Kenntnis des Hyperfeintensors zwischen den beteiligten Spins. Die Ziele des Projekts wurden somit insgesamt weitgehend erreicht und teilweise übertroffen. Natürlich zeigte sich auch in eingen Fällen, dass das System komplizierter ist als vor Projektbeginn bekannt. Ein wichtiges Beispiel ist das Resultat, dass Laserpulse nicht nur den Elektronenspin initialisieren, sondern auch den Zustand des Kernspins beeinflussen. Diese Effekte werden in zukünftigen Projekten genauer untersucht werden müssen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• ’Level anti-crossings of an NV center in diamond: Decoherence-free subspaces and 3D sensors of microwave magnetic fields’
  K. Rama Koteswara Rao and Dieter Suter
  
• ’Optimal photon energies for initialization of hybrid spin quantum registers of NV centers in diamond’
  K. Rama Koteswara Rao and Dieter Suter
  
• ‘Experimental protection of two-qubit quantum gates against environmental noise by dynamical decoupling’, Phys. Rev. Lett. 115, 110502 (2015)
  Jingfu Zhang and Dieter Suter
  
• ‘Characterization of hyperfine interaction between an NV electron spin and a first-shell 13C nuclear spin in diamond’, Phys. Rev. B 94, 060101 (2016)
  K. R. K. Rao and D. Suter
  
• ‘Nonlinear dynamics of a two-level system of a single spin driven beyond the rotating-wave approximation’, Phys. Rev. A 95, 053804 (2017)
  K. Rama Koteswara Rao and Dieter Suter
  
• ‘Polarizing the electronic and nuclear spin of the NV-center in diamond in arbitrary magnetic fields: analysis of the optical pumping process’, New Journal of Physics 19, 073030 (2017)
  T. Chakraborty, J. Zhang, and D. Suter
  
• ‘Bloch-Siegert shift in a hybrid quantum register: Quantification and compensation’, Phys. Rev. A 98, 052354 (2018)
  J. Zhang, S. Saha, and D. Suter
  
• ‘Pulse sequences for controlled two- and three-qubit gates in a hybrid quantum register’, Phys. Rev. A 98, 042302 (2018)
  J. Zhang, S. S. Hegde, and D. Suter