量子光学：単一色中心におけるパーセル増強されたスピン–フォノン結合

発光体の放射特性は、本質的にその周囲環境と結び付いている。1940年代にパーセルが示したように、発光体の周囲に電磁共振器を配置することで、自発放出を増強できる。この手法は現在、量子コンピューティングや量子通信において、原子から放出された光子を、明確に定義されたモードへと導き、原子–光子相互作用により制御するために日常的に使用されている。固体中の発光体（例えば色中心）の場合には、ホスト格子が音響環境をもたらし、これにより、励起された原子がフォノンを放出して、緩和することが可能となる。今回我々は、ダイヤモンド中の色中心におけるスピンキュービットの周囲に、特別に設計したマイクロ波周波数のナノ機械共振器を構築することによって、音響パーセル効果を観測した。我々は、色中心の励起状態と強く結合する共振器の共局在化光学モードを使用して、ミリケルビン温度で単一光子レベルのレーザー分光測定を行うとともに、スピンキュービットを12 GHzの音響モードと共鳴させるとスピン緩和が10倍速くなることを観測した。さらに我々は、色中心を原子スケールのプローブとして用いて、ナノ構造の広帯域フォノンスペクトルを28 GHzまで測定した。今回の成果は、固体中の量子欠陥を制御する新たな領域を確立するとともに、原子スケールの量子メモリーと、音響デバイスや超伝導デバイスにおける符号化されたキュービットとの相互接続への道を開くものである。

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