量子光学：単一分子によるスピン–光子インターフェース

長寿命のスピンキュービットを光子と接続する光インターフェースは、量子ネットワークの構築や分散型量子情報処理に欠かせない中核的な要件である。固体中の原子欠陥は、その固有のスピンと光のコヒーレンス特性のために、現在、そうしたインターフェースの有力な候補となっている。こうした進展に基づき、合成によって特性を調整した分子系は、原子レベルの精密な制御と一貫性のあるボトムアップ組み立てを用いることで、この分野に根本的な転換をもたらす。しかし、ロバストなスピン–光子インターフェースの要求、すなわち、明るい蛍光と高いスペクトル安定性と長い基底状態スピン寿命の組み合わせを同時に満たす分子プラットフォームは、単一分子レベルではまだ実現されていない。今回我々は、構造的に整合したホスト結晶中に埋め込まれた、三重項基底状態を持つカルベン分子が、単一分子を個別にアドレス指定できるロバストなスピン–光子インターフェースとして機能することを示す。この系は、線幅の狭いゼロフォノン線（ZPL）、1時間を超えて持続するスペクトル安定性、スピン選択的な光学遷移、単一分子の光検出磁気共鳴を示した。コヒーレント制御により、温度4.5 Kにおいて、動的デカップリング下でミリ秒スケールのコヒーレンス時間と、数十ミリ秒のスピン緩和時間が得られた。これらの結果は、分子キュービットが、ボトムアップの化学設計や加工可能な材料という利点を保ちながら、単一エミッター量子光学に利用可能なプラットフォームとなることを立証している。

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