Microwave Control of the Tin-Vacancy Spin Qubit in Diamond with a Superconducting Waveguide

Damit Quantenkommunikation und -rechnung zuverlässig funktionieren, müssen Qubitsysteme ihre maximale Leistungsfähigkeit erreichen.
Die zugrunde liegenden Prozesse sind äußerst komplex, und selbst kleinste Fehler können erhebliche Störungen verursachen, wodurch das „Quantum“ verschwindet.
In den letzten Jahren wurden zahlreiche Qubitplattformen erforscht, wobei Farbzentren eine zentrale Rolle bei der Realisierung skalierbarer Quantennetzwerke spielen.
Unter diesen hat sich das negativ geladene Zinn-Fehlstellenzentrum (SnV) in Diamant als vielversprechender Kandidat für optisch adressierbare Spinqubits erwiesen, insbesondere aufgrund seiner stabilen optischen Übergänge und langen Spinkohärenzzeiten.
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In dieser Arbeit untersuchen wir die kohärente Mikrowellenkontrolle von SnV-Zentren in supraleitenden Wellenleitern und adressieren dabei zentrale Herausforderungen wie phononinduzierte Dekohärenz, Verspannungseffekte und mikrowelleninduzierte Erwärmung.

Zunächst analysieren wir die fundamentalen elektronischen und spindynamischen Eigenschaften der SnV-Zentren und leiten einen effektive Hamiltonoperator her, welcher Spin-Bahn-Kopplung, Verspannung und Zeeman-Wechselwirkungen berücksichtigt.
Durch präzise experimentelle Messungen der optisch erlaubten und verbotenen Übergänge im Magnetfeld bestimmen wir die Quantisierungsachse des SnV-Zentrums mit bisher unerreichter Genauigkeit. Dies ermöglicht es uns die unterdrückte orbitale Zeeman-Wechselwirkung in den Spin-Bahn-Dupletts des optischen Grund- und angeregten Zustands zu beschreiben.
Da die Leistungsfähigkeit des SnV-Zentrums als Qubit stark von der Stabilität seiner optischen Übergänge abhängt, stellen wir eine rigorose Methode vor, die zur Identifikation geeigneter Emitter in Diamantproben mit schlechter Oberflächenqualität und geringem Ertrag Erfolg verspricht.
Darüber hinaus analysieren wir die Spindynamik des SnV-Zentrums im Hinblick auf Spininitialisierung, Auslese und phononinduzierte Dekohärenz.
Besonderes Augenmerk legen wir auf die Auswirkungen eines externen Magnetfelds, um die optimalen Messbedingungen für eine kohärente Kontrolle zu identifizieren.
Durch die Verwendung des SnV-Zentrums als kalibrierten Temperatursensor charakterisieren wir die Verluste normal- und supraleitender koplanarer Wellenleiter, was uns ermöglicht, den Beitrag supraleitender Wellenleiter zur Minderung thermischer Effekte und zur Erhaltung der Qubitleistung zu untersuchen.
Mithilfe von dynamischen Entkopplungstechniken demonstrieren wir verbesserte Kohärenzzeiten und setzen mit $T_2 = 10\,$ms einen neuen Rekord für die SnV-Zentrum-Plattform.

Diese Ergebnisse tragen zur Entwicklung robuster Spin-Photonen-Schnittstellen und hybrider Quantencomputerarchitekturen bei und zeigen das Potenzial von SnV-Zentren für Quantennetzwerke und verteiltes Quantencomputing auf.

For quantum communication and computing to work reliably, qubit systems need to perform at their best.
The underlying processes are highly complex, and even tiny errors can cause major disruptions, making the ‘quantum’ disappear.
In recent years, many different qubit platforms have been explored, with color centers playing a major role in enabling scalable quantum networks.
Among these, the negatively charged tin-vacancy (SnV) center in diamond has emerged as a promising candidate for optically addressable spin qubits due to its stable optical transitions and long spin coherence times.
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In this thesis we investigate coherent microwave control of SnV centers within superconducting waveguides, addressing key challenges such as phonon-induced decoherence, strain effects, and microwave induced heating.

We first analyze the fundamental electronic and spin properties of SnV centers, deriving an effective Hamiltonian that accounts for spin-orbit coupling, strain, and Zeeman interactions.
With precise experimental measurements of the optically allowed and forbidden transitions in a magnetic field, we determine the quantization axis of the SnV center with unprecedented precision.
This allows us to describe the quenched orbital-Zeeman interaction in the spin-orbit doublets of the optical ground and excited states.
Since the performance of the SnV center as a qubit relies heavily on the stability of its optical transitions, we outline a rigorous method for identifying suitable emitters, in diamond samples with low surface quality and low yield of stable emitters.
Further, we analyze the spin dynamics of the SnV center with regard to spin initialization, readout, and phonon-induced decoherence. We specifically focus on the effects of an externally applied magnetic field to identify the optimal measurement conditions for coherent control.
By using the SnV center as a calibrated temperature sensor we characterize the losses of normal and superconducting coplanar waveguides, allowing us to evaluate the role of superconducting coplanar waveguides in mitigating thermal effects and maintaining qubit performance.
By leveraging dynamical decoupling techniques, we demonstrate improved coherence times, setting a record for the SnV center platform of $T_2 = 10\,$ms.

These results contribute to the development of robust spin-photon interfaces and hybrid quantum computing architectures, and demonstrate the potential of SnV centers for quantum networking and distributed quantum computing applications.