Challenges
Datasets
Workspaces
Papers
Discussions
Leaderboard
Log inSign up
Challenges
Datasets
Workspaces
Papers
Discussions
Leaderboard
Blog
Job Board
Q3AS

© 2026 Aqora Quantum S.A.S.

TermsPrivacyLegal Notice

High-Fidelity Electron Spin Gates for Scaling Diamond Quantum Registers

Timo Joas, Florian Ferlemann, Roberto Sailer, Philipp J. Vetter, J. Zhang, R. S. Said, Tokuyuki Teraji, S. Onoda, Tommaso Calarco, G. Genov, Matthias M. Müller, Fedor Jelezko

Published Dec 18, 2025• 0 citations
Publisher

Abstract

ダイヤモンドは量子情報処理のための有望なプラットフォームで、高度にコヒーレントな量子ビットを持つことができ、大規模な量子レジスターの構築を可能にします。そのためには、窒素空孔（NV）の電子スピン間でのコヒーレントな相互作用が必要で、スケーラブルなエンタングルメントを可能にします。これまで、双極子結合されたNVスピンペア間のエンタングルメントが示されていましたが、忠実度が限られており、エラーの原因は特定されていませんでした。本研究では、ダイヤモンド中のNV電子スピン間でロバストな2量子ビットゲートを設計・実装し、ゲート性能に影響を与える複数のエラー源を定量化しました。実験的に、環境条件下で96.0 ± 2.5%の記録的なゲート忠実度を証明しました。支配的なエラーの特定により、エラー修正しきい値を超えるNV-NVゲートへの道を開きます。

DOI
10.48505/nims.6029

Related papers

Robust electronic-nuclear NV-13C spin systems in the diamond for quantum technologies

А. П. Низовцев, А.Л. Пушкарчук, С. А. Кутень +4 more

Методами компьютерной химии рассчитаны матрицы AKL, описывающие сверхтонкое взаимодействие (СТВ) электронного спина центра окраски «азот-вакансия» (NV-центра) в алмазе с ядерным спином атома 13С, который расположен в одном из возможных узлов решетки в пассивированном водородом углеродном кластере С510[NV]Н252. Выполнен систематический анализ скоростей W0 переворотов ядерных спинов 13С, индуцируемых их анизотроп­ным СТВ с электронным спином NV-центра. Показано, что в кластере имеются специфические позиции ядерного спина 13С, в которых он практически не испытывает таких переворотов вследствие малости недиагональных элемен­тов в соответствующих матрицах AKL. Определено пространственное расположение найденных позиций стабильно­сти в кластере относительно NV-центра и рассчитаны величины характерных расщеплений в спектрах оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) для стабильных систем NV-13C, по которым их можно идентифици­ровать в процессе их экспериментального поиска для использования в разрабатываемых квантовых технологиях. Показано, что полностью стабильными (W0 = 0) являются позиции ядерного спина, расположенные на оси симме­трии NV-центра. Найдены характеристики восьми таких «осевых» систем NV-13C. Впервые обнаружено наличие в кластере дополнительных «неосевых» квазистабильных систем NV-13C, имеющих малые скорости переворотов (W0.→0) спина 13С вследствие высокой локальной симметрии распределения спиновой плотности, обусловливающей малость недиагональных элементов матриц СТВ для таких систем. Пространственно «не осевые» стабильные систе­мы NV-13C расположены в плоскости, проходящей через вакансию NV-центра перпендикулярно его оси. Выпол­ненный анализ имеющихся литературных данных показал, что, по-видимому, некоторые из предсказанных стабиль­ных систем NV-13C уже наблюдались экспериментально.

•Jan 1, 2017•0 citations

High-Fidelity Electron Spin Gates for Scaling Diamond Quantum Registers

Timo Joas, Florian Ferlemann, Roberto Sailer +9 more

Diamond is a promising platform for quantum information processing as it can host highly coherent qubits that could allow for the construction of large quantum registers. A prerequisite for such devices is a coherent interaction between nitrogen-vacancy (NV) electron spins enabling scalable entanglement. Entanglement between dipolar-coupled NV spin pairs has been demonstrated but with a limited fidelity, and its error sources have not been characterized. Here, we design and implement a robust two-qubit gate between NV electron spins in diamond and quantify the influence of multiple error sources on the gate performance. Experimentally, we demonstrate a record gate fidelity of F 2 q = ( 96.0 ± 2.5 ) % under ambient conditions. Our identification of the dominant errors paves the way towards NV-NV gates beyond the error correction threshold.

arXiv:2406.04199•Physical Review X•May 27, 2025•11 citations

High-Fidelity Electron Spin Gates in a Scalable Diamond Quantum Registers

Timo Joas, Florian Ferlemann, Roberto Sailer +9 more

Diamond is a promising platform for quantum information processing as it can host highly coherent qubits that could allow for the construction of large quantum registers. A prerequisite for such devices is a coherent interaction between nitrogen vacancy (NV) electron spins. Entanglement between dipolar-coupled NV spin pairs has been demonstrated, but with a limited entanglement fidelity and its error sources have not been characterized. Here, we design and implement a robust, easy to implement entangling gate between NV spins in diamond and quantify the influence of multiple error sources on the gate performance. Experimentally, we demonstrate a record gate fidelity of F=(96.0±2.5) % under ambient conditions. Our identification of the dominant errors paves the way towards NV-NV gates beyond the error correction threshold.

•May 1, 2025•0 citations

2次元NVアンサンブルのスピン特性向上

Kyotaro Kanehisa, 哲也 立石, 薗田隆弘 +13 more

NVアンサンブルの量子プロセッサ応用には、NVアンサンブルを2次元に配列することが不可欠である。ゆえに、我々はダイヤモンド表面の窒素終端を起源とする2次元NVアンサンブルを作製した。[111]高配向の実現には、窒素ラジカル照射後生じたアミノ基を除去する必要があるため、アニール処理を導入した。その結果、[111]配向したNVアンサンブルの割合が上昇した。また、scaling factorが向上した。

•Feb 28, 2020•0 citations

Coherent electrical control of a single electron spin in diamond nitrogen-vacancy centers

Wu Jian-Dong, Cheng Zhi, Xiangyu Ye +4 more

金刚石氮-空位（nitrogen-vacancy，NV）色心量子体系因在室温条件下具有可实现单自旋寻址与操控、长量子相干时间等独特优势，在固态量子计算、量子精密测量等领域展现了巨大的应用潜力，其中单自旋的精确操控技术对于NV色心应用的发展尤为关键。NV色心量子体系中常用的自旋操控方法都是通过共振的交变磁场驱动和操控NV色心电子自旋。近年来，利用电场对量子自旋实现电调控的相关研究得到了广泛的关注。本文开展了利用交变电场对NV色心电子自旋进行调控的技术研究。通过电极所产生的交变电场成功驱动了NV色心自旋在$|m_s=-1\rangle$与$|m_s=+1\rangle$两个$\Delta m_s =\pm2$的磁禁戒能级间的跃迁，并观测到受控自旋在相关能级的布居度周期性变化而展现出的Rabi振荡现象。进一步的研究表明电场驱动Rabi振荡的频率受驱动电场功率的调控，与驱动电场的共振频率无直接关系。将自旋电控制技术与磁控制技术方法相结合，能够实现对NV色心三个自旋能级间直接跃迁的全操控。自旋电控制技术的发展将进一步推动NV色心量子体系在量子模拟、量子计算、电磁场的精密测量等领域研究和应用的发展。

Acta Physica Sinica•Jan 1, 2022•0 citations

Optimal control of fast and high-fidelity quantum gates with electron and nuclear spins of a nitrogen-vacancy center in diamond

Yi Chou, Shang‐Yu Huang, Hsi‐Sheng Goan

A negatively charged nitrogen-vacancy (NV) center in diamond has been recognized as a good solid-state qubit. A system consisting of the electronic spin of the NV center and hyperfine-coupled nitrogen and additionally nearby carbon nuclear spins can form a quantum register of several qubits for quantum information processing or as a node in a quantum repeater. Several impressive experiments on the hybrid electron and nuclear spin register have been reported, but fidelities achieved so far are not yet at or below the thresholds required for fault-tolerant quantum computation (FTQC). Using quantum optimal control theory based on the Krotov method, we show here that fast and high-fidelity single-qubit and two-qubit gates in the universal quantum gate set for FTQC, taking into account the effects of the leakage state, nearby noise qubits, and distant bath spins, can be achieved with errors less than those required by the threshold theorem of FTQC.

arXiv:1504.06385•Physical Review A•May 15, 2015•40 citations
ダイヤモンドは量子情報処理のための有望なプラットフォームで、高度にコヒーレントな量子ビットを持つことができ、大規模な量子レジスターの構築を可能にします。そのためには、窒素空孔（NV）の電子スピン間でのコヒーレントな相互作用が必要で、スケーラブルなエンタングルメントを可能にします。これまで、双極子結合されたNVスピンペア間のエンタングルメントが示されていましたが、忠実度が限られており、エラーの原因は特定されていませんでした。本研究では、ダイヤモンド中のNV電子スピン間でロバストな2量子ビットゲートを設計・実装し、ゲート性能に影響を与える複数のエラー源を定量化しました。実験的に、環境条件下で96.0 ± 2.5%の記録的なゲート忠実度を証明しました。支配的なエラーの特定により、エラー修正しきい値を超えるNV-NVゲートへの道を開きます。
Методами компьютерной химии рассчитаны матрицы AKL, описывающие сверхтонкое взаимодействие (СТВ) электронного спина центра окраски «азот-вакансия» (NV-центра) в алмазе с ядерным спином атома 13С, который расположен в одном из возможных узлов решетки в пассивированном водородом углеродном кластере С510[NV]Н252. Выполнен систематический анализ скоростей W0 переворотов ядерных спинов 13С, индуцируемых их анизотроп­ным СТВ с электронным спином NV-центра. Показано, что в кластере имеются специфические позиции ядерного спина 13С, в которых он практически не испытывает таких переворотов вследствие малости недиагональных элемен­тов в соответствующих матрицах AKL. Определено пространственное расположение найденных позиций стабильно­сти в кластере относительно NV-центра и рассчитаны величины характерных расщеплений в спектрах оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) для стабильных систем NV-13C, по которым их можно идентифици­ровать в процессе их экспериментального поиска для использования в разрабатываемых квантовых технологиях. Показано, что полностью стабильными (W0 = 0) являются позиции ядерного спина, расположенные на оси симме­трии NV-центра. Найдены характеристики восьми таких «осевых» систем NV-13C. Впервые обнаружено наличие в кластере дополнительных «неосевых» квазистабильных систем NV-13C, имеющих малые скорости переворотов (W0.→0) спина 13С вследствие высокой локальной симметрии распределения спиновой плотности, обусловливающей малость недиагональных элементов матриц СТВ для таких систем. Пространственно «не осевые» стабильные систе­мы NV-13C расположены в плоскости, проходящей через вакансию NV-центра перпендикулярно его оси. Выпол­ненный анализ имеющихся литературных данных показал, что, по-видимому, некоторые из предсказанных стабиль­ных систем NV-13C уже наблюдались экспериментально.
Diamond is a promising platform for quantum information processing as it can host highly coherent qubits that could allow for the construction of large quantum registers. A prerequisite for such devices is a coherent interaction between nitrogen-vacancy (NV) electron spins enabling scalable entanglement. Entanglement between dipolar-coupled NV spin pairs has been demonstrated but with a limited fidelity, and its error sources have not been characterized. Here, we design and implement a robust two-qubit gate between NV electron spins in diamond and quantify the influence of multiple error sources on the gate performance. Experimentally, we demonstrate a record gate fidelity of F 2 q = ( 96.0 ± 2.5 ) % under ambient conditions. Our identification of the dominant errors paves the way towards NV-NV gates beyond the error correction threshold.
Diamond is a promising platform for quantum information processing as it can host highly coherent qubits that could allow for the construction of large quantum registers. A prerequisite for such devices is a coherent interaction between nitrogen vacancy (NV) electron spins. Entanglement between dipolar-coupled NV spin pairs has been demonstrated, but with a limited entanglement fidelity and its error sources have not been characterized. Here, we design and implement a robust, easy to implement entangling gate between NV spins in diamond and quantify the influence of multiple error sources on the gate performance. Experimentally, we demonstrate a record gate fidelity of F=(96.0±2.5) % under ambient conditions. Our identification of the dominant errors paves the way towards NV-NV gates beyond the error correction threshold.
NVアンサンブルの量子プロセッサ応用には、NVアンサンブルを2次元に配列することが不可欠である。ゆえに、我々はダイヤモンド表面の窒素終端を起源とする2次元NVアンサンブルを作製した。[111]高配向の実現には、窒素ラジカル照射後生じたアミノ基を除去する必要があるため、アニール処理を導入した。その結果、[111]配向したNVアンサンブルの割合が上昇した。また、scaling factorが向上した。
金刚石氮-空位（nitrogen-vacancy，NV）色心量子体系因在室温条件下具有可实现单自旋寻址与操控、长量子相干时间等独特优势，在固态量子计算、量子精密测量等领域展现了巨大的应用潜力，其中单自旋的精确操控技术对于NV色心应用的发展尤为关键。NV色心量子体系中常用的自旋操控方法都是通过共振的交变磁场驱动和操控NV色心电子自旋。近年来，利用电场对量子自旋实现电调控的相关研究得到了广泛的关注。本文开展了利用交变电场对NV色心电子自旋进行调控的技术研究。通过电极所产生的交变电场成功驱动了NV色心自旋在∣ms=−1⟩|m_s=-1\rangle∣ms​=−1⟩与∣ms=+1⟩|m_s=+1\rangle∣ms​=+1⟩两个Δms=±2\Delta m_s =\pm2Δms​=±2的磁禁戒能级间的跃迁，并观测到受控自旋在相关能级的布居度周期性变化而展现出的Rabi振荡现象。进一步的研究表明电场驱动Rabi振荡的频率受驱动电场功率的调控，与驱动电场的共振频率无直接关系。将自旋电控制技术与磁控制技术方法相结合，能够实现对NV色心三个自旋能级间直接跃迁的全操控。自旋电控制技术的发展将进一步推动NV色心量子体系在量子模拟、量子计算、电磁场的精密测量等领域研究和应用的发展。
A negatively charged nitrogen-vacancy (NV) center in diamond has been recognized as a good solid-state qubit. A system consisting of the electronic spin of the NV center and hyperfine-coupled nitrogen and additionally nearby carbon nuclear spins can form a quantum register of several qubits for quantum information processing or as a node in a quantum repeater. Several impressive experiments on the hybrid electron and nuclear spin register have been reported, but fidelities achieved so far are not yet at or below the thresholds required for fault-tolerant quantum computation (FTQC). Using quantum optimal control theory based on the Krotov method, we show here that fast and high-fidelity single-qubit and two-qubit gates in the universal quantum gate set for FTQC, taking into account the effects of the leakage state, nearby noise qubits, and distant bath spins, can be achieved with errors less than those required by the threshold theorem of FTQC.