Quantum memory and quantum amnesia - coherent exchange of excitations between a NV- [NV hoch -] spin ensemble and a superconducting resonator

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Möglichkeit, Quanteninformation in einem Ensemble von Stickstoff Fehlstellen (NV- [NV hoch -]) Zentren in Diamant zu speichern. Solche Quantenspeicher aus Ensembles mikroskopischer Objekte sind Teil eines Konzeptes hybrider Quantensysteme, das im Kontext der sogenannten circuit QED entwickelt wurde. Supraleitende Mikrowellenresonatoren in solchen hybriden Systemen sorgen für die Übertragung von Quanteninformation. Vorraussetzung dafür ist, dass die Kopplung des Ensembles von NV- [NV hoch -] Zentren an das elektromagnetische Feld des Resonators stark genug ist, d.h. größer ist als die jeweiligen Zerfallsraten der beteiligten Systeme.<br />Zwei unterschiedliche Typen von Resonatoren kamen in den Experimenten zur Anwendung, einerseits bewährte koplanare Wellenleiter-Resonatoren und andererseits für uns neue, diskrete Schwingkreise. Die Verwendung diskreter Schwingkreise war unter anderem dadurch motiviert, dass ihr Modenvolumen kleiner als das der Wellenleiter-Resonatoren gemacht werden kann, was die Möglichkeit eröffnet, an weniger NV- [NV hoch -] Zentren zu koppeln ohne Verluste in der effektiven Kopplungsstärke hinnehmen zu müssen. Die ersten Versuche dahingehend sind Teil dieser Arbeit, wobei es uns unseres Wissens zum ersten mal gelungen ist, eine starke Kopplung zwischen einem diskreten Schwingkreis und einem Ensemble von NV- [NV hoch -] Zentren zu erreichen. Weitere wichtige Aspekte der Arbeit sind spektroskopische und zeitabhängige Vermessungen der Phänomene der starken Kopplung,also die Modenteilung einerseits und die Rabi-Oszillationen andererseits.<br />Experimentell stellte sich heraus, dass, obwohl im Bereich der starken Kopplung, die Verlustmechanismen ebenfalls relativ stark waren. Die Vermutung, dass die wesentlichen Verluste von der inhomogenen Verbreiterung des Ensembles herrühren, hat sich in der Analyse der spektroskopischen als auch der zeitabhängigen Messungen bestätigt. Dafür wurden verschiedene Modelle bemüht, die sich im Wesentlichen in der Komplexität der Beschreibung der Verteilung des Ensembles von NV- [NV hoch -] Zentren unterschieden.<br />

The present work deals with the possibility to store quantum information in an ensemble of nitrogen-vacancy (NV- [NV hoch -]) centres in diamond. Such a quantum memory is part of a concept of hybrid quantum systems that has been developed in the context of circuit QED.<br />Superconducting microwave resonators ensure that the quantum information is transferred between the components of such a hybrid systems. In order to do so, the ensemble of NV- [NV hoch -] centres has to be coupled strong enough to the electromagnetic field of the resonator, i.e. that the coupling strength must exceed the loss rates of the involved systems. Two different types of resonators have been used, already approved coplanar transmission line (TL) resonators on the one hand and lumped element resonators (LER), that were new for us, on the other hand. The use of LERs is based, amongst others, on the fact, that their mode volume can be reduced to dimensions much smaller than those of TL resonators. This opens up the possibility to couple to less NV- [NV hoch -] centres without weakening the effective coupling strength. To our knowledge the first strong coupling experiment with a LER and an ensemble of NV- [NV hoch -] centres has been carried out. Other important aspects of this work concerns the measuring of strong coupling phenomena spectroscopically (mode splitting) as well as in time domain (Rabi oscillations).<br />Experimentally we found, although we have reached the strong coupling regime, that the losses have been remarkable high. The analysis of the measurements in frequency and time domain confirmed our presumption, that the main losses were caused by inhomogeneous broadening of the NV- [NV hoch -] ensemble. We used different models for the analysis of the data, whereupon they differed basically in the level of complexity with which the distribution of a NV- [NV hoch -] ensemble was described.