Mechanically Mediated Spin Entanglement in Diamond
金刚石中机械介导的自旋纠缠
基本信息
- 批准号:2012524
- 负责人:
- 金额:$ 45万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2020
- 资助国家:美国
- 起止时间:2020-08-01 至 2024-07-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Diamonds consist of a regular arrangement, or lattice, of carbon atoms, which often contains defects at the atomic level. Common defects include impurities, such as nitrogen or silicon atoms, and vacancies - places in the lattice where atoms are missing. A special defect is a “silicon-vacancy” center, which consists of two vacancies that are adjacent to each other, with a silicon atom inserted in between. An electron can be trapped around such a defect, and used as a “qubit,” or “quantum bit”—a fundamental unit of quantum information. An outstanding challenge for using these qubits to develop solid-state quantum computers is the precise control of the interactions between them. This program will develop an experimental approach that uses mechanical vibrations in an ultrathin diamond film to mediate interactions between two silicon-vacancy qubits. Mechanical waves can be conveniently confined and guided in a suitably designed solid-state nanostructure with negligible loss, opening up a new frontier in the development of quantum information technologies. In addition, this program will also make contributions to education and human resources by providing excellent training to graduate and undergraduate students in areas of both scientific and technological importance.This experimental program focuses on mechanically mediated coupling between electron spins in a diamond nanomechanical resonator, with the long-term goal of establishing a trapped-ion-like solid-state platform for quantum computing. The primary building block of this platform is a diamond Lamb wave mechanical resonator, in which electron spins in silicon vacancy centers couple to a symmetric mechanical compression mode. The Lamb wave resonator is protected by a phononic crystal lattice, which can enable the achievement of mechanical Q-factors limited only by the intrinsic material loss of diamond. Two mechanisms that take advantage of the special energy level structure of silicon vacancy centers will be explored for the coupling between spins and mechanical vibrations. One exploits optically driven sideband spin transitions. The other uses mechanical vibrations to directly drive spin transitions. The sideband spin transitions will be used for spin entanglement through a Molmer-Sorensen two-qubit gate, which is widely used for trapped ions. The direct acoustic driving will be used for spin entanglement via a phononic cavity QED process.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
钻石由碳原子的常规排列或晶格组成,碳原子通常在原子水平上包含缺陷。常见缺陷包括杂质,例如氮或硅原子以及空缺 - 在晶格中缺少原子的位置。一个特殊的缺陷是一个“硅 - vacancie”中心,该中心由两个彼此相邻的空缺组成,并在两者之间插入一个硅原子。电子可以被困在这样的缺陷周围,并用作“量子”或“量子位”,这是量子信息的基本单位。使用这些数量来开发固态量子计算机的一个突出挑战是对它们之间的相互作用的精确控制。该程序将开发一种实验方法,该方法在超薄钻石膜中使用机械振动来介导两个硅离子量子盘之间的相互作用。机械波可以方便地限制并以适当设计的固态纳米结构的损失微不足道的损失进行引导,从而在开发量子信息技术的开发中开放了新的边界。此外,该计划还将通过为科学和技术重要性领域的研究生和本科生提供出色的培训来为教育和人力资源做出贡献。该实验计划的重点是在钻石纳米力学谐振器中电子旋转之间的机械介导的耦合,并长期实现了建立类似固定的固定型量子型量子型固定型量的长期目标。该平台的主要构建块是钻石羔羊波机械谐振器,其中电子空位中心中的电子旋转到对称机械压缩模式。羔羊波谐振器受声音晶体晶格的保护,该晶格可以使机械Q因子的实现仅受钻石的固有物质损失的限制。将探索利用硅空位中心特殊能级结构的两种机制,以探索旋转和机械振动之间的耦合。一个利用光学驱动的边带旋转过渡。另一个使用机械振动直接驱动旋转过渡。侧带自旋跃迁将用于通过Molmer-Sorensen的两Q Qubit Gate进行自旋纠缠,该闸门被广泛用于捕获的离子。直接的声学驾驶将通过语音腔QED过程用于旋转纠缠。该奖项反映了NSF的法定任务,并使用基金会的知识分子优点和更广泛的影响标准通过评估被认为是珍贵的支持。
项目成果
期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Coupling spins to nanomechanical resonators: Toward quantum spin-mechanics
- DOI:10.1063/5.0024001
- 发表时间:2020-11
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Hailin Wang;I. Lekavicius
- 通讯作者:Hailin Wang;I. Lekavicius
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- 通讯作者:Wang, Hailin
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- DOI:10.1103/physrevapplied.19.064068
- 发表时间:2023
- 期刊:
- 影响因子:4.6
- 作者:Li, Xinzhu;Wang, Hailin
- 通讯作者:Wang, Hailin
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