The negatively charged tin vacancy centre in diamond : a good quantum bit?

Abstract

The rapidly developing field of quantum information processing demands for qubit and quantum network node systems exhibiting outstanding characteristics such as exceptional spin and optical coherence. This thesis investigates the recently emerged negatively charged tin vacancy (SnV) centre in diamond as a promising candidate addressing those needs. On that account we conduct a detailed spectroscopic study revealing its single photon and zero-phonon line emission properties, the centre-phonon interactions impacting the phonon sideband and Debye-Waller factor as well as the energetic position of a higher lying excited state. Furthermore, we unveil the charge cycle of the SnV centre based upon which we realise highly efficient and rapid initialisation of the desired negative charge state. This charge control enables studying the optical and spin coherence of single centres, which we show to outperform other group IV vacancy emitters in diamond at temperatures of 1.7K. The close to ideal optical coherence is preserved for hours, while the spin life- and dephasing times amount to T1~20ms and T2* ~5µs, respectively, even for large angles between magnetic field and the centre's symmetry axis. Furthermore, we demonstrate single-shot readout of spin states enabled by highly cycling spin-conserving transitions with a fidelity of F=74%. Eventually, we explore the possibility of two-photon interference as a crucial prerequisite of remote entanglement and many quantum communication protocols.

Das sich rapide entwickelnde Themengebiet der Quanteninformationsverarbeitung bedarf Qubit- und Quantennetzwerkknotensystemen, welche herausragende Eigenschaften wie bspw. exzeptionelle optische sowie Spinkohärenz aufweisen. Diese Arbeit untersucht das kürzlich entdeckte Zinn-Fehlstellen (SnV) Zentrum in Diamant als einen vielversprechenden Kandidaten. Dazu führen wir detaillierte spektroskopische Untersuchungen der Eigenschaften seiner Einzelphotonen- und Null-Phononen-Linienemission, des Einflusses der Zentrum-Phonon Wechselwirkungen auf phononisches Seitenband und Debye-Waller Faktor sowie der energetischen Lage eines höher liegenden angeregten Zustandes durch. Basierend auf unserem experimentell verifizierten Modell des Ladungszyklusses des SnV Zentrums initialisieren wir den negativen Ladungszustand schnell und hocheffizient. Diese Ladungskontrolle erlaubt die Untersuchung der optischen und Spinkohärenz bei einer Temperatur von 1.7K, welche anderen Gruppe IV Zentren überlegen sind. Die nahezu perfekte optische Kohärenz ist über Stunden erhalten, während die Spinlebens- bzw. Dephasierungsdauer selbst für große Winkle zwischen Magnetfeld und Symmetrieachse des Zentrums T1~20ms bzw. T2*~5µs beträgt. Weiterhin demonstrieren wir Spinzustandsauslese mit nur einem optischen Puls und Fidelity von F=74%. Abschließend untersuchen wir die Möglichkeit der Zwei-Photonen Interferenz, welche Grundlage für die Verschränkung entfernter Zentren sowie vielen Quantenkommunikationsprotokollen ist.