Detecting X-band diamond phononic resonators in the quantum regime

检测量子态中的 X 波段金刚石声子谐振器

基本信息

  • 批准号:
    RTI-2023-00101
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 9.56万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Research Tools and Instruments
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2022-01-01 至 2023-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Technologies whose properties are dependent on the quantum behaviour of our physical world are enabling new capabilities in communication, computing, and sensing. For example, single particles of light can link memories that encode information within the quantum states electrons-for example in their spin state-allowing ultra-secure sharing of information. A dream of quantum technology researchers is to connect large numbers of electron spins, which would open doors in many areas of quantum information processing. This ambitious goal is being held back by challenges in creating devices on chip that can link nanoscale spin-systems. The equipment described in this request is urgently required to advance a promising and rapidly emerging area of spin-based quantum technology: spin-optomechanics. This platform uses vibrations-phonons-to connect electron and nuclear spins whose quantum states are used to store and process information. The Barclay lab is a world leader in creating devices from diamond chips that underlie this technology. Lab HQP recently demonstrated optical control of high frequency mechanical vibrations that can modify the quantum state of electron spins of defects in the diamond crystal. This first ever demonstration was a major milestone. However moving to the next step-operating at a quantum level where single phonons can couple to single spins-has been limited by challenges in device performance and experimental capabilities. Operating these devices in such a quantum regime is a critical requirement for utilizing them in quantum information processing applications. During the past six months, HQP dramatically improved the performance of the lab's devices, and are now preparing to operate these best-in-class diamond "optomechanical crystals" at the quantum level for the first time. However, lacking a key piece equipment needed for optical detection of single phonons, they are unable to do so. This request for Research Tools and Instruments addresses this gap. Demonstrating this proposed experiment will establish Canada as the world leader in quantum spin-optomechanical systems. This project is being conducted in close competition with several formidable international research groups. Any delay in acquiring the equipment will cause the Barclay lab's current advantage to be lost and allow other researchers (e.g. at UCSB and Harvard) to catch up. This will severely diminish the impact of the work and negatively affect HQP outcomes. This equipment will be immediately used by approximately 10 HQP, with another 10 projected to benefit from it over the next five years, all of whom work in an inclusive and supportive environment that strives to reduce existing inequities in physics research.
特性依赖于我们物理世界的量子行为的技术正在使通信、计算和传感领域的新能力成为可能。例如,光的单个粒子可以在量子态(例如自旋态)中连接编码信息的存储器,从而实现超安全的信息共享。量子技术研究人员的一个梦想是连接大量的电子自旋,这将为量子信息处理的许多领域打开大门。这一雄心勃勃的目标由于在芯片上制造能够连接纳米级自旋系统的设备所面临的挑战而受阻。迫切需要本请求中描述的设备来推进基于自旋的量子技术的一个有前途和快速新兴的领域:自旋光力学。这个平台利用振动——声子——连接电子和核自旋,它们的量子态被用来存储和处理信息。巴克莱实验室在利用钻石芯片制造支撑这项技术的设备方面处于世界领先地位。HQP实验室最近展示了高频机械振动的光学控制,可以改变金刚石晶体中缺陷的电子自旋的量子态。这第一次示威是一个重要的里程碑。然而,下一步——在量子水平上,单个声子可以与单个自旋耦合——受到设备性能和实验能力方面的挑战的限制。在这样的量子状态下操作这些器件是在量子信息处理应用中利用它们的关键要求。在过去的六个月里,HQP极大地提高了实验室设备的性能,现在正准备首次在量子水平上操作这些一流的钻石“光力学晶体”。然而,由于缺乏单声子光学探测所需的关键设备,他们无法做到这一点。这项研究工具和仪器的请求解决了这一差距。证明这个提议的实验将使加拿大成为量子自旋光力学系统的世界领导者。这个项目正在与几个强大的国际研究小组进行密切竞争。购买设备的任何延迟都将导致巴克莱实验室失去目前的优势,并允许其他研究人员(例如UCSB和哈佛)迎头赶上。这将严重削弱工作的影响,并对HQP结果产生负面影响。该设备将立即被大约10个HQP使用,另外10个HQP预计将在未来五年内受益,所有这些人都在一个包容和支持的环境中工作,努力减少物理研究中现有的不公平现象。

项目成果

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