Coherent coupling of distant NV¯ spin ensembles via a cavity bus

Abstract

Hybride Quantensysteme - die Kombination verschiedener Quantensysteme - bilden eine ideale Grundlage für die Realisierung von Quanteninformationstechnologien. Eigenschaften wie lange Kohärenzzeiten verbunden mit stabiler und schneller Kontrolle steigern das Interesse an diesen Systemen. In der vorliegenden Arbeit wird die kohärente Kopplung zwischen zwei räumlich getrennten Spin-Ensembles bearbeitet. Ein Spin-Ensemble wird dabei durch die Elektronenspins von Stickstoff-Defektzentren in Diamant realisiert. Die Kopplung zwischen den Ensembles erfolgt über einen supraleitenden Mikrowellenresonator. Dieser fungiert als Bussystem um Quanteninformationen kohärent zwischen den Ensembles auszutauschen. Im Transmissionsspektrum des Resonators kann der kohärente Energietransfer zwischen den Ensembles und dem Resonator direkt beobachtet werden. Die Kopplungsstärke zur Resonatormode wird um einem Faktor sqrt{2} größer aufgrund der doppelten Anzahl von Spins. Das System verhält sich wie ein großes Ensemble, welches stark an die quantisierte Resonatormode koppelt, eine Unterscheidung zwischen den zwei Ensembles ist nicht mehr möglich. Darüber hinaus wird eine transversale Kopplung zwischen den räumlich getrennten Ensembles über die dispersive Frequenzverschiebung des Resonators gezeigt. Die Zustandsübergänge der Spin Ensembles befinden sich zwar in Resonanz, aber sind gegen die Resonatormode verstimmt. Die Kopplung erfolgt über virtuelle Photonen, wodurch Verluste im Zusammenhang mit dem Resonator vollkommen eliminiert werden können. Dies erlaubt das schnelle Auslesen des Systems. Das System zeigt zudem exzellente Spin-Gitter Relaxationszeiten (T1) in der Größen-ordnung von 100 s bei Temperaturen um 50 mK. Dabei liegt die Relaxationzeit einige Größenordnungen über der Spin-Spin-Dephasierungszeit (T2). Sofern die Zeitskala der T2 Zeit verlängert werden kann, birgt diese Architektur großes Potential für die Verwendung als Quantenspeicher.

Hybrid quantum systems - the combination of different quantum systems - serve as an ideal basis for realizing quantum information technologies. Characteristics such as long coherence times and robust control raise interest in these systems. The thesis at hand deals with the coherent coupling of two spin ensembles spatially separated by a macroscopic distance. Electron spins of nitrogen vacancy defects in diamond are employed as spin ensemble. The coupling is mediated via a microwave coplanar waveguide resonator acting as a high quality cavity. The device allows strong coupling of each ensemble to the cavity mode. By bringing both ensembles simultaneously in resonance with the cavity, the two ensembles behave like a single giant ensemble. The coupling strength to the cavity mode is increased by a factor sqrt{2}, which indicates that there is a coherent energy transfer between the two ensembles and the cavity mode. This results in a spin wave, which is delocalized throughout the two spin ensembles and the cavity mode. The two ensembles are no longer distinguishable. Furthermore, a transversal coupling between the two ensembles is proven by utilizing the dispersive cavity shift. While the spin transitions of the two ensembles are in resonance, they are far detuned from the cavity mode. The coupling between the ensembles is mediated by virtual photons. These photons do not populate the cavity. Therefore, all cavity associated loss channels can be suppressed, which allows fast probing of the system. Additionally, the system shows excellent spin lattice relaxation times (T1) around 100 seconds at 50 mK. This is several orders of magnitude longer than the transversal spin-spin dephasing time (T2). Provided the T2 time scale can be extended, this architecture bears the potential for implementing a quantum memory.