关键词:
固态缺陷
碳化硅
核自旋
纠缠制备
量子中继
量子网络
摘要:
实现量子网络是量子信息领域非常重要的目标之一,基于量子网络可以实现量子通信、分布式量子计算、分布式量子传感等等重要应用。建立量子网络的基础单元是两个节点内的自旋互联。
固态缺陷已成为实现量子网络的有力候选者,固态缺陷的电子自旋可以与光子连接起来,同时也可以与固态中的核自旋相互作用,利用核自旋进行长寿命存储。更重要的是,固态材料适合实现集成量子芯片,将大大提高量子网络节点的集成度。在固态缺陷领域,发展较为成熟的金刚石NV色心已经通过频率转换实现间隔25公里光纤的两个NV色心纠缠,以及基于3个NV色心的实验室尺度的三节点量子网络。
碳化硅材料作为第三代半导体,除了高热导率、高带隙之外,其生长和微纳加工工艺也较为成熟,目前已经可以实现八英寸晶圆生长,以及高品质碳化硅薄膜制备。本文的主要动机是利用碳化硅内的硅空位缺陷电子自旋及附近的核自旋来建立量子网络。为了实现这一目标,我们首先进行单个节点的硅空位缺陷电子自旋与光子纠缠,然后利用硅空位缺陷附近的核自旋进行单次读出,最终实现两个自旋的互联,完成量子网络基础单元的建立。下面将进行逐一介绍:
首先,我们使用4H碳化硅中的准六角h位点硅空位缺陷(V1缺陷)进行单节点内自旋与光子纠缠的实验。我们首先通过电子辐照来产生单个硅空位缺陷,使用固体浸没透镜提高收集效率,得到稳定的光学跃迁频率,这也是可以进行纠缠实验的基础。为了在较强的共振激发光的噪声里提取零声子线的光子信号,我们采用了偏振消光、时间滤波等手段,得到33:1的信噪比。我们采用时间编码的纠缠方案,将V1缺陷的自旋状态与光子的时间先后纠缠起来,这种方案对激光器的相位噪声提出较高的要求,我们使用超稳腔对激光器进行主动锁定。使用长短臂干涉仪将光子的时间编码转换为偏振编码,从而可以在本征基和叠加基下测试纠缠,我们使用主动反馈技术来锁定干涉仪两臂之间的相位差。实验测得纠缠保真度为75.7%,并通过交叉关联函数验证了纠缠制备过程的确定性。V1缺陷零场劈裂太小,很难使用较快的拉比频率进行自旋翻转,这也是限制自旋-光子纠缠保真度的主要原因,如果使用零场劈裂较大的准立方k位点硅空位缺陷(V2缺陷),同样的纠缠方案下将会得到90%以上的保真度。
由于硅空位缺陷电子自旋的光学循环跃迁很少,很难直接进行自旋态的单次读出。另一方面,由于碳化硅晶体内顺磁杂质的限制,电子自旋的相干时间也非常有限,远不够满足量子中继的需求,我们将目光转向具有更长相干时间的核自旋。核自旋不仅可以提供更长的相干时间,还可以实现单次读出,这是通过不停地将核自旋的量子态复制到电子自旋并读出电子自旋来实现的。我们对于硅空位缺陷与核自旋强耦合的系统进行详细的理论推导和数值仿真,给出可以实现核自旋单次读出的实验条件:施加大磁场和使用与电子自旋无交叉耦合的平面内次近邻29Si核自旋。29Si核自旋的非均匀退相干时间为10 ms,比V2电子自旋长了4个量级,再结合动态解耦技术,理论上可以达到秒量级的相干时间。核自旋确定性初始化和单次读出的总保真度达到94.95%,使用双步单次读出的方案可以将保真度提高到99.03%,代价是读出的成功概率降低到10%。
进一步地,我们考虑产生两个自旋纠缠,这要求两个自旋必须可以进行洪欧-曼德尔干涉(HOM干涉)。我们选用间隔42μm的两个V2缺陷,这两个V2缺陷分别耦合了一个平面内、一个平面外的次近邻核自旋,为两个核自旋存储器之间的纠缠提供可能。我们测量得到核自旋的Hahn-echo相干时间超过1秒,并且使用CPMG-16动态解耦序列可以将相干时间延长到5秒以上。通过优化系统效率,我们将V2缺陷零声子线信号与脉冲激发光噪声的信噪比提高到200:1,得到两个V2缺陷的HOM干涉对比度为84.5%。考虑到使用单光子干涉的纠缠方案在纠缠速率上优越性,我们针对该方案进行主动相位锁定,锁定后的干涉对比度可达97.5%。HOM干涉和相位锁定的结果为产生两个自旋的纠缠打下基础。
本文中我们实现了单个节点的自旋与光子纠缠、核自旋的单次读出、以及两个自旋的干涉,实现了量子网络基础单元的建立。再结合核自旋提高存储寿命、使用微纳结构提高光接口效率,将会极大地推动量子中继和量子网络的实验研究。