DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10495-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42092147
تاريخ النشر: 2026-05-06
المؤلف: Graham Joe وآخرون
الموضوع الرئيسي: الرنانات الميكانيكية والبصرية
نظرة عامة
تدرس الدراسة الخصائص الإشعاعية للمصدرين، مع التركيز على تأثير بيئتهم المحيطة، وخاصة من خلال استخدام الرنانات الكهرومغناطيسية. تم تقديم هذا المفهوم، الذي قدمه بيرسيل في الأربعينيات، لتعزيز الانبعاث التلقائي، وهو أمر حاسم في الحوسبة الكمومية والاتصالات لإدارة انبعاثات الفوتونات من الذرات. تركز الأبحاث على المصادر الصلبة، وتحديداً مراكز الألوان في الماس، حيث تسهل الشبكة المضيفة انبعاث الفونونات أثناء استرخاء الذرات المثارة.
في هذا العمل، يظهر المؤلفون تأثير بيرسيل الصوتي من خلال استخدام رنان ميكروويف نانوميكانيكي مصمم خصيصًا حول كيوبت دوران مركز اللون. يحققون مطيافية ليزر على مستوى الفوتون الفردي عند درجات حرارة ملي كيلفين، مما يكشف عن زيادة عشرة أضعاف في معدلات استرخاء الدوران عندما يكون الكيوبت في توافق مع وضع صوتي بتردد 12 جيجاهرتز. علاوة على ذلك، يعمل مركز اللون كأداة على مقياس ذري لتقييم طيف الفونون العريض للنانوهيكل، الذي يمتد حتى 28 جيجاهرتز. لا تؤسس هذه الأبحاث فقط آلية تحكم جديدة للعيوب الكمومية في المواد الصلبة، ولكنها تقترح أيضًا تقدمًا محتملاً في إنشاء وصلات بين الذاكرات الكمومية على مقياس ذري وكيوبتات في الأنظمة الصوتية والموصلة الفائقة.
مقدمة
تحدد المقدمة أهمية التحكم في الانبعاث التلقائي في الأنظمة الكمومية من خلال البيئات الكهرومغناطيسية المصممة، وخاصة عبر تأثير بيرسيل. هذا التحكم أمر حاسم في الديناميكا الكهربائية الكمومية في التجاويف (QED) لتسهيل التفاعلات بين الكيوبتات والفوتونات، مع تطبيقات تمتد عبر منصات مختلفة مثل تقاطعات جوزيفسون، وتجويفات فابري-بيرو، والمصادر الضوئية الصلبة. يوسع البحث هذا المفهوم ليشمل الموجات الصوتية المنبعثة من الذرات الاصطناعية، مع تسليط الضوء على التحديات التي تطرحها انبعاثات الفونون في كيوبتات مركز اللون والشوائب من الأيونات الأرضية النادرة، والتي تؤثر على أوقات استرخاء الدوران عند درجات حرارة منخفضة.
يقدم المؤلفون نظامًا جديدًا يدمج مركز فراغ السيليكون (SiV) في الماس مع رنان نانوميكانيكي مصمم خصيصًا، محققين تعاونًا عاليًا بين الدوران والفونون الضروري للتفاعلات الكمومية المتماسكة. يظهرون تأثير بيرسيل الصوتي بين كيوبت دوران SiV ووضع صوتي بتردد 12 جيجاهرتز من الرنان، يعمل بالقرب من حالته الأرضية الحركية عند درجات حرارة ملي كيلفين. يسمح هذا الإعداد، الذي تم تحقيقه في بلورة بصرية ميكانيكية، بحد أدنى من الاضطراب أثناء الاستكشاف باستخدام نبضات ليزر على مستوى الفوتون الفردي، مما يعالج القيود السابقة المتعلقة بالتسخين الناتج عن الليزر. بالإضافة إلى ذلك، يعمل كيوبت دوران SiV كأداة لقياس طيف الفونون للنانوهيكل عبر نطاق تردد من 9 إلى 27 جيجاهرتز، مما يمهد الطريق للتقدم في الأنظمة الكمومية الهجينة والتحقيقات في حدود التماسك في العيوب الكمومية على مقياس ذري.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون عملية تصنيع أجهزة تجويف ميكروية بصرية ذات مقطع عرضي مستطيل (SiV-OMC)، والتي تشمل النقش شبه المتساوي. يتم تلخيص العملية في شكل مصاحب. لإدخال مراكز فراغ السيليكون (SiV) في أجهزة OMC، يتم استخدام تقنية زراعة الأيونات المحددة، مع تقديم مزيد من التفاصيل في منشور سابق. تتضمن الخطوة الأولية في التصنيع طلاء الدوران بطبقة من بوليميثيل ميثاكريلات (PMMA) على الأجهزة، والتي تعتبر مكونًا حاسمًا في عملية الزراعة.
مناقشة
تناقش الأبحاث نظامًا يدمج مركز فراغ السيليكون (SiV) مع بلورة بصرية ميكانيكية (OMC)، حيث تتزاوج الانتقالات الضوئية والدورانية لـ SiV مع الأوضاع الضوئية والميكانيكية لـ OMC، على التوالي. يتيح هذا الاقتران المزدوج تحقيق واجهات كمومية متماسكة فعالة لتفاعلات الدوران-الفوتون والدوران-الفونون. يستخدم الإعداد التجريبي تجويفًا بصريًا عالي الجودة بتردد عاري قدره $\omega_o/(2\pi) = 409.7$ تيراهرتز وعامل جودة $Q_o \approx 27,000$، مما يسمح بالتعديل الدقيق لخط الفونون الصفري لـ SiV عند 737 نانومتر. يسهل التداخل الكبير بين الأوضاع الضوئية والميكانيكية اقترانًا بصريًا ميكانيكيًا قويًا، والذي يتميز من خلال قياسات وضع التنفس الميكانيكي عند $\omega_m/(2\pi) = 12.06$ جيجاهرتز.
تستكشف الدراسة أيضًا تأثير بيرسيل الصوتي، موضحة تعاونًا قائمًا على T1 بين الدوران والفونون قدره $C_{T_1} \approx 10$ وتعاونًا قائمًا على T2* قدره $C_{T_2^*} \approx 0.01$. تشير هذه النتائج إلى أن النظام يمكنه تعزيز معدلات استرخاء الدوران عندما يقترب تردد انتقال الدوران من تردد الوضع الميكانيكي، مما يظهر الإمكانية لتحقيق تحويل حالة كمومية فعال. تُعزى القيود في التعاون إلى التخميد الميكانيكي الزائد الناتج عن طرق ترسيب المواد المستخدمة لضبط التجويف. من المتوقع أن تعزز التحسينات المستقبلية، بما في ذلك تقنيات الضبط غير الغازية، بشكل كبير اقتران الدوران والفونون، مما يمهد الطريق لشبكات كمومية متقدمة وأنظمة كمومية هجينة تستفيد من نقاط القوة لكل من كيوبتات دوران مركز اللون وكيوبتات الموصلات الفائقة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10495-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42092147
Publication Date: 2026-05-06
Author(s): Graham Joe et al.
Primary Topic: Mechanical and Optical Resonators
Overview
The study investigates the radiative properties of emitters, emphasizing the influence of their surrounding environment, particularly through the use of electromagnetic resonators. This concept, initially introduced by Purcell in the 1940s, is applied to enhance spontaneous emission, which is crucial in quantum computing and communication for managing photon emissions from atoms. The research focuses on solid-state emitters, specifically color-centers in diamond, where the host lattice facilitates the emission of phonons during the relaxation of excited atoms.
In this work, the authors demonstrate the acoustic Purcell effect by employing a specially designed microwave-frequency nanomechanical resonator around a color-center spin qubit. They achieve single-photon-level laser spectroscopy at milliKelvin temperatures, revealing a ten-fold increase in spin relaxation rates when the qubit is in resonance with a 12 GHz acoustic mode. Furthermore, the color-center serves as an atomic-scale probe to assess the broadband phonon spectrum of the nanostructure, extending up to 28 GHz. This research not only establishes a novel control mechanism for quantum defects in solids but also suggests potential advancements in creating interconnects between atomic-scale quantum memories and qubits in acoustic and superconducting systems.
Introduction
The introduction outlines the significance of controlling spontaneous emission in quantum systems through engineered electromagnetic environments, particularly via the Purcell effect. This control is crucial in cavity quantum electrodynamics (QED) for facilitating interactions between qubits and photons, with applications spanning various platforms such as Josephson junctions, Fabry-Perot cavities, and solid-state optical emitters. The paper extends this concept to acoustic waves emitted from artificial atoms, highlighting the challenges posed by phonon emission in color-center qubits and rare-earth ion impurities, which affect spin relaxation times at low temperatures.
The authors present a novel system that integrates a silicon vacancy (SiV) center in diamond with a specially designed nanomechanical resonator, achieving high spin-phonon cooperativity necessary for quantum-coherent interactions. They demonstrate the acoustic Purcell effect between the SiV spin qubit and a 12 GHz acoustic mode of the resonator, operating near its motional ground state at millikelvin temperatures. This setup, realized in an optomechanical crystal, allows for minimal disturbance during probing with single-photon-level laser pulses, addressing previous limitations related to laser-induced heating. Additionally, the SiV spin qubit serves as a tool to measure the phonon spectrum of the nanostructure across a frequency range of 9 to 27 GHz, paving the way for advancements in hybrid quantum systems and investigations into coherence limits in atomic-scale quantum defects.
Methods
In this section, the authors describe the fabrication process for rectangular cross-section silicon-vacancy optical microcavity (SiV-OMC) devices, which involves quasi-isotropic etching. The process is summarized in an accompanying figure. To introduce silicon-vacancy (SiV) centers into the OMC devices, a deterministic ion implantation technique is utilized, with further details provided in a prior publication. The initial step in the fabrication involves spin-coating a polymethyl methacrylate (PMMA) layer onto the devices, which serves as a crucial component in the implantation process.
Discussion
The research discusses a system integrating a silicon vacancy (SiV) center with an optomechanical crystal (OMC), where the SiV’s optical and spin transitions couple to the optical and mechanical modes of the OMC, respectively. This dual coupling enables the realization of efficient quantum-coherent interfaces for both spin-photon and spin-phonon interactions. The experimental setup utilizes a high-quality optical cavity with a bare frequency of $\omega_o/(2\pi) = 409.7$ THz and a quality factor $Q_o \approx 27,000$, allowing for precise tuning to the SiV’s zero-phonon line at 737 nm. The significant overlap between the optical and mechanical modes facilitates strong optomechanical coupling, which is characterized through measurements of the mechanical breathing mode at $\omega_m/(2\pi) = 12.06$ GHz.
The study further explores the acoustic Purcell effect, demonstrating a T1-based spin-phonon cooperativity of $C_{T_1} \approx 10$ and a T2*-based cooperativity of $C_{T_2^*} \approx 0.01$. These findings indicate that the system can enhance spin relaxation rates when the spin transition frequency approaches the mechanical mode frequency, showcasing the potential for efficient quantum state transduction. The limitations in cooperativity are attributed to excess mechanical damping from material deposition methods used for cavity tuning. Future improvements, including non-invasive tuning techniques, are anticipated to significantly enhance the spin-phonon coupling, paving the way for advanced quantum networks and hybrid quantum systems that leverage the strengths of both color-center spin qubits and superconducting qubits.