Towards a spin-ensemble quantum memory for superconducting qubits

• Published in: Comptes rendus. Physique Vol. 17; no. 7; pp. 693 - 704
• Main Authors: Grezes, Cécile, Kubo, Yuimaru, Julsgaard, Brian, Umeda, Takahide, Isoya, Junichi, Sumiya, Hitoshi, Abe, Hiroshi, Onoda, Shinobu, Ohshima, Takeshi, Nakamura, Kazuo, Diniz, Igor, Auffeves, Alexia, Jacques, Vincent, Roch, Jean-François, Vion, Denis, Esteve, Daniel, Moelmer, Klaus, Bertet, Patrice
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Elsevier Masson SAS 01.08.2016; Académie des sciences (Paris)
• Subjects: Centres NV du diamant; Mémoire quantique; NV centers in diamond; Physics; Quantum memory; Quantum Physics; Qubits de spin; Qubits supraconducteurs; Spin qubits; Superconducting qubits; Qubits de spin; Centres NV du diamant; Qubits supraconducteurs; Superconducting qubits; Spin qubits; Quantum memory; NV centers in diamond; Mémoire quantique
• ISSN: 1631-0705; 1878-1535
• DOI: 10.1016/j.crhy.2016.07.006

This article reviews efforts to build a new type of quantum device, which combines an ensemble of electronic spins with long coherence times, and a small-scale superconducting quantum processor. The goal is to store over long times arbitrary qubit states in orthogonal collective modes of the spin-ensemble, and to retrieve them on-demand. We first present the protocol devised for such a multi-mode quantum memory. We then describe a series of experimental results using NV (as in nitrogen vacancy) center spins in diamond, which demonstrate its main building blocks: the transfer of arbitrary quantum states from a qubit into the spin ensemble, and the multi-mode retrieval of classical microwave pulses down to the single-photon level with a Hahn-echo like sequence. A reset of the spin memory is implemented in-between two successive sequences using optical repumping of the spins. Cet article porte sur la réalisation d'un nouveau type de dispositif quantique, dans lequel un ensemble de spins électroniques avec des temps de cohérence longs est associé à un processeur quantique supraconducteur à quelques qubits. Le but est de stocker les états des qubits dans les degrés de liberté collectifs de l'ensemble de spins, et de les récupérer à la demande, bénéficiant ainsi d'une meilleure protection contre la décohérence. En première partie, nous présentons le protocole mis au point pour une telle mémoire quantique multi-mode. Nous décrivons ensuite une série de résultats expérimentaux utilisant des centres NV dans le diamant, démontrant les briques de base de ce protocole : le transfert d'états quantiques arbitraires d'un qubit vers l'ensemble de spins, et la récupération de champs micro-ondes classiques au niveau du photon unique par application d'une séquence de refocalisation de type écho de Hahn. La réinitialisation de la mémoire entre deux séquences successives est réalisée par repompage optique des spins.