Strong coupling of an NV ¯ spin ensemble to a superconducting resonator

Abstract

Hybride Quantensysteme werden als ein erfolgversprechender Weg gesehen um quantenmechanische Phänomene in der Informationsverarbeitung einzusetzen. Als wesentliche Herausforderung wird hierbei die Tendenz von Quantensystemen zu Dekohärenz betrachtet, die in allen bislang bekannten Quantensystem beobachtet wurde. Obwohl manche Quantensysteme aufgrund ihrer besseren Isolation von Umwelteinflüssen längere Kohärenzzeiten aufweisen, zeigt sich, dass es intrinsisch schwieriger wird mit diesen Systemen auf kohärente Weise in Wechselwirkung zu treten. Diese Ambivalenz hat zu der Idee von hybriden Quantensystemen geführt bei der versucht wird physikalische Einheiten mit komplementären Eigenschaften, wie schnelle Interaktionszeit und lange Speicherfähigkeit, zu verbinden und die Unzulänglichkeiten der Einzelsysteme im Verbundsystem zu überbrücken.<br />In dieser Arbeit wurde versucht Punktdefekte in einkristallinem Diamant -- NV Farbzentren -- als Quantenspeicher einzusetzen. Dabei haben wir speziell eine Integration mit bestehenden Festkörper-Quantenbits basierend auf Josephson-Kontakten angestrebt. Speziell richtete sich unser Augenmerk auf die Kopplung einer Vielzahl dieser Defekte an einen Mikrowellenresonator, der als Informationsträger den Austausch von Quanten zwischen schnellen, supraleitenden Quantenbits und dem Speicher herstellen kann.<br />Als Hauptresultat erachten wir den experimentell beobachteten kohärenten Austausch von Energie zwischen einem Ensemble von NV Farbzentren und dem elektromagntischem Feld in einem Mikrowellenresonator. Wir haben weiters den kollektiven Charakter der Kopplung zeigen können und darüber hinaus auch die Wechselwirkung zu 13C Kernspins beobachtet, die potenziell längere Kohärenzzeiten aufweisen würden. Obwohl die quantenmechanische Speicherfähigkeit eines Ensembles von NV Defekten in Experimenten mit Fluss-Quantenbits gezeigt werden konnte, wurde inhomogene Verbreiterung aufgrund von paramagnetischen Verunreinigungen in Diamant, als wesentlichste Dekohärenzquelle festgestellt.<br />

This thesis is motivated by the idea of hybrid quantum systems, one promising approach to exploit quantum mechanics for information processing. The main challenge in this field is to counteract decoherence - an inevitable companion of every quantum system. Indeed some quantum systems are intrinsically better isolated from their environment and are therefore less prone to the loss of coherence. But it's the ambivalent nature of decoherence that these highly isolated systems are usually very difficult to interact with and coherently control. To overcome these obstacles ideas were born to combine or hybridize different quantum systems with mutually opposing properties - fast control and long coherence times - and take advantage of the prospective better behavior of the combined system.<br />In this thesis, defects in single crystal diamond - negatively-charged nitrogen-vacancy centers (NV- centers) - are chosen as the quantum memory medium. Because an NV- center constitutes a defect in a solid, its combination with other solid-state quantum systems, as electrical circuits based on Josephson junctions, appears natural. In our work we aimed at the integration of a large number of NV- centers in a circuit quantum electrodynamics (cQED) set-up. These circuits, operating at microwave frequencies, are extremely fast and versatile quantum processors but suffer from short coherence times. Usually single microwave photons stored in a resonant circuit act as information carrier between different parts of the chip. As a main result we observe the coherent energy exchange between the NV- color centers and the electromagnetic field of a microwave resonator. We study in detail a number of important aspects of collective magnetic spin-field coupling as the characteristic scaling with the square root of the number of emitters. Additionally we measure weak coupling to 13C nuclear spins mediated by the hyperfine coupling to the NV- electron spins. The quantum memory capabilities of ensembles of NV- centers are shown in experiments with flux qubits. Generally the main challenge is to find counter measures against inhomogeneous broadening due to paramagnetic impurities in diamond which at the moment is the limiting source of decoherence in this system.<br />