Microwave quantum memories using solid state spins

使用固态自旋的微波量子存储器

基本信息

  • 批准号:
    2361907
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Studentship
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2021 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Hybrid quantum systems offer the exciting potential to connect different types of quantum system together to exploit their respective strengths. Superconducting qubits are well suited for performing quantum logic gates but have coherence times typically in the tens of us, while electron spins of donors in silicon have coherence times to 3 seconds, and their states can be stored and retrieved using coupled nuclear spins, offering coherence times of up to 3 hours. We have shown with collaborators in CEA Saclay that spins in silicon can be coupled to high Q factor superconducting cavities to yield Purcell enhanced relaxation of electron spins i.e. electron spins return to the ground state by emitting a microwave photon into the cavity. This lays the foundation for coherent magnetic coupling of individual spins to microwave photons and for interfacing superconducting qubits and spin memories using a superconducting resonator as a quantum bus. Such quantum memories could make use of dopant spins in silicon, or rare earth defects in solids. We have also demonstrated a multimode quantum memory protocol where multiple microwave qubit states can be stored and retrieved independently in an ensemble. This aim of this project is to use highly coherent spins in solid state material to store microwave photon states, as a resource for quantum information technologies. Such a quantum memory would be able to store and retrieve many such states with high fidelity, over times approaching seconds, and interface with one or more superconducting qubits.The research methodology, including new knowledge or techniques in engineering and physical sciences that will be investigated. The project methodology includes superconducting resonator design, modelling and nano micro fabrication, along with the investigation of novel spin systems and material hosts. Electron spin resonance will be used to study the spin coherence and line width properties, while implantation and annealing processes will be optimised to improve spin performance. A dilution refrigerator will be used to achieve high spin polarisation and ensure optimal operation of the superconducting qubits.The project is strongly aligned with EPSRCs Quantum Technologies programme, as well as the Quantum Computing and Simulation Hub. The project will benefit from ongoing academic collaborations with the group of Patrice Bertet CEA Saclay and Philippe Goldner Chemie ParisTech.
混合量子系统提供了将不同类型的量子系统连接在一起以发挥各自优势的令人兴奋的潜力。超导量子位非常适合执行量子逻辑门,但相干时间通常为数十我们,而硅中供体的电子自旋的相干时间为 3 秒,并且可以使用耦合核自旋来存储和检索它们的状态,从而提供相干性时间长达3小时。我们与 CEA Saclay 的合作者证明,硅中的自旋可以与高 Q 因子超导腔耦合,从而产生 Purcell 增强的电子自旋弛豫,即通过向腔中发射微波光子,电子自旋返回到基态。这为单个自旋与微波光子的相干磁耦合以及使用超导谐振器作为量子总线连接超导量子位和自旋存储器奠定了基础。这种量子存储器可以利用硅中的掺杂剂自旋或固体中的稀土缺陷。我们还演示了一种多模式量子存储协议,其中多个微波量子位状态可以在一个整体中独立存储和检索。该项目的目标是利用固态材料中的高度相干自旋来存储微波光子态,作为量子信息技术的资源。这种量子存储器将能够在接近秒的时间内以高保真度存储和检索许多此类状态,并与一个或多个超导量子位连接。研究方法,包括将要研究的工程和物理科学的新知识或技术。该项目方法包括超导谐振器设计、建模和纳米微制造,以及新型自旋系统和材料主体的研究。电子自旋共振将用于研究自旋相干性和线宽特性,同时优化注入和退火工艺以提高自旋性能。稀释制冷机将用于实现高自旋极化并确保超导量子位的最佳运行。该项目与 EPSRC 的量子技术计划以及量子计算和模拟中心高度一致。该项目将受益于与 Patrice Bertet CEA Saclay 和 Philippe Goldner Chemie ParisTech 团队持续进行的学术合作。

项目成果

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