Coherent Control of a Single ${}^{13}$C Nuclear Spin Strongly Coupled to a Tin-Vacancy Center in Diamond
Jeremias Resch
Abstract
Gruppe-IV-Farbzentren in Diamant eignen sich als Quantennetzwerkknoten, da sie optisch adressierbare elektronische Zustände mit Spinfreiheitsgraden in einem Festkörper kombinieren. Aufgrund ihrer Inversionssymmetrie können sie schmale und stabile optische Übergänge aufweisen. Für Anwendungen in Quantennetzwerken ist eine optische Schnittstelle allein jedoch nicht ausreichend. Vielmehr muss die Plattform auch kohärente Spinkontrolle, langlebige Quantenspeicher und Betrieb unter kryogenen Bedingungen ermöglichen. Diese Arbeit untersucht das Zinn-Fehlstellen-Zentrum (SnV-Zentrum) in Diamant als Spin-Qubit-Plattform, mit einem Fokus auf die kohärente Kontrolle des SnV-Elektronenspins und eines $^{13}$C-Kernspins in der unmittelbaren Umgebung. Supraleitende koplanare Wellenleiter werden verwendet, um Mikrowellen- und Radiofrequenzfelder bereitzustellen und gleichzeitig die in das kryogene System eingebrachte Wärme zu reduzieren. Aufbauend auf dieser Elektronenspin-Kontrolle wird ein einzelner stark gekoppelter $^{13}$C-Kernspin anhand seiner großen, optisch detektierten magnetischen Hyperfeinaufspaltung von etwa 45MHz identifiziert. Durch die Kombination aus optischem und mikrowellenunterstütztem Pumpen wird eine präzise Initialisierung des Elektronen- und Kernspins erreicht. Kohärente Radiofrequenzkontrolle des Kernspins wird demonstriert, und eine Einzel-Qubit-Gatterfidelität von mehr als 99,9% gemessen. Durch dynamische Entkopplung wird die Kohärenzzeit des Kernspins auf 1,35s verlängert. Abschließend wird die Robustheit des Kernspins unter optischer Anregung untersucht. Die gemessene Differenz zwischen den Hyperfeinaufspaltungen im Grund- und im angeregten Zustand ist vergleichsweise klein. Dies deutet darauf hin, dass der Beitrag zur nuklearen Dephasierung durch differentielle Phasenakkumulation während der optischen Anregung schwach ist, auch wenn optisch induzierte Depolarisation weiterhin limitierend sein kann. Gleichzeitig zeigt die geringe Photonensammeleffizienz des Systems, dass Einbettung in photonische Strukturen für zukünftige Experimente mit effizienten optischen Schnittstellen erforderlich sein wird. Insgesamt demonstrieren diese Ergebnisse kohärente Kontrolle eines SnV-Elektronenspins und eines stark gekoppelten $^{13}$C-Kernspins und liefern eine Grundlage, um SnV-basierte Systeme im Kontext zukünftiger Quantennetzwerkknoten zu untersuchen.