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低于衍射极限的固态自旋的平行单次测量和相干控制。

Parallel single-shot measurement and coherent control of solid-state spins below the diffraction limit.

机构信息

Department of Electrical Engineering, Princeton University, Princeton, NJ 08544, USA.

Department of Electrical Engineering, Princeton University, Princeton, NJ 08544, USA

出版信息

Science. 2020 Oct 30;370(6516):592-595. doi: 10.1126/science.abc7821.

DOI:10.1126/science.abc7821
PMID:33122383
Abstract

Solid-state spin defects are a promising platform for quantum science and technology. The realization of larger-scale quantum systems with solid-state defects will require high-fidelity control over multiple defects with nanoscale separations, with strong spin-spin interactions for multi-qubit logic operations and the creation of entangled states. We demonstrate an optical frequency-domain multiplexing technique, allowing high-fidelity initialization and single-shot spin measurement of six rare-earth (Er) ions, within the subwavelength volume of a single, silicon photonic crystal cavity. We also demonstrate subwavelength control over coherent spin rotations by using an optical AC Stark shift. Our approach may be scaled to large numbers of ions with arbitrarily small separation and is a step toward realizing strongly interacting atomic defect ensembles with applications to quantum information processing and fundamental studies of many-body dynamics.

摘要

固态自旋缺陷是量子科学与技术的一个有前途的平台。要实现具有固态缺陷的更大规模量子系统,需要对具有纳米级间隔的多个缺陷进行高保真度控制,这些缺陷具有强的自旋-自旋相互作用,用于多量子位逻辑操作和纠缠态的产生。我们展示了一种光频域复用技术,能够在单个硅光子晶体腔的亚波长体积内,对六个稀土(Er)离子进行高保真初始化和单自旋测量。我们还通过使用光的交流电斯塔克频移,实现了对相干自旋旋转的亚波长控制。我们的方法可以扩展到具有任意小间隔的大量离子,是实现具有强相互作用的原子缺陷集合的重要一步,可应用于量子信息处理和多体动力学的基础研究。

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