Coherent Control of a Single ${}^{13}$C Nuclear Spin Strongly Coupled to a Tin-Vacancy Center in Diamond

Gruppe-IV-Farbzentren in Diamant eignen sich als Quantennetzwerkknoten, da sie optisch adressierbare elektronische Zustände mit Spinfreiheitsgraden in einem Festkörper kombinieren. Aufgrund ihrer Inversionssymmetrie können sie schmale und stabile optische Übergänge aufweisen. Für Anwendungen in Quantennetzwerken ist eine optische Schnittstelle allein jedoch nicht ausreichend. Vielmehr muss die Plattform auch kohärente Spinkontrolle, langlebige Quantenspeicher und Betrieb unter kryogenen Bedingungen ermöglichen.

Diese Arbeit untersucht das Zinn-Fehlstellen-Zentrum (SnV-Zentrum) in Diamant als Spin-Qubit-Plattform, mit einem Fokus auf die kohärente Kontrolle des SnV-Elektronenspins und eines $^{13}$C-Kernspins in der unmittelbaren Umgebung. ... mehrSupraleitende koplanare Wellenleiter werden verwendet, um Mikrowellen- und Radiofrequenzfelder bereitzustellen und gleichzeitig die in das kryogene System eingebrachte Wärme zu reduzieren.

Aufbauend auf dieser Elektronenspin-Kontrolle wird ein einzelner stark gekoppelter $^{13}$C-Kernspin anhand seiner großen, optisch detektierten magnetischen Hyperfeinaufspaltung von etwa 45MHz identifiziert. Durch die Kombination aus optischem und mikrowellenunterstütztem Pumpen wird eine präzise Initialisierung des Elektronen- und Kernspins erreicht. Kohärente Radiofrequenzkontrolle des Kernspins wird demonstriert, und eine Einzel-Qubit-Gatterfidelität von mehr als 99,9% gemessen. Durch dynamische Entkopplung wird die Kohärenzzeit des Kernspins auf 1,35s verlängert.

Abschließend wird die Robustheit des Kernspins unter optischer Anregung untersucht. Die gemessene Differenz zwischen den Hyperfeinaufspaltungen im Grund- und im angeregten Zustand ist vergleichsweise klein. Dies deutet darauf hin, dass der Beitrag zur nuklearen Dephasierung durch differentielle Phasenakkumulation während der optischen Anregung schwach ist, auch wenn optisch induzierte Depolarisation weiterhin limitierend sein kann.
Gleichzeitig zeigt die geringe Photonensammeleffizienz des Systems, dass Einbettung in photonische Strukturen für zukünftige Experimente mit effizienten optischen Schnittstellen erforderlich sein wird. Insgesamt demonstrieren diese Ergebnisse kohärente Kontrolle eines SnV-Elektronenspins und eines stark gekoppelten $^{13}$C-Kernspins und liefern eine Grundlage, um SnV-basierte Systeme im Kontext zukünftiger Quantennetzwerkknoten zu untersuchen.

Group-IV color centers in diamond are promising platforms for quantum-network nodes because they combine optically addressable electronic states with spin degrees of freedom in a solid-state host. Their inversion symmetry can lead to narrow and stable optical transitions, which are essential for spin-photon interfaces. For quantum-network applications, however, an optical interface alone is not sufficient. The system must also allow coherent spin control, provide access to long-lived quantum memories, and remain compatible with cryogenic operation.

In this thesis, we investigate the tin-vacancy (SnV) center in diamond as a spin-qubit platform, focusing on coherent control of the SnV electron spin and of a proximal $^{13}$C nuclear spin. ... mehrWe use superconducting coplanar waveguides to deliver microwave and radio-frequency fields while reducing the heat introduced into the cryogenic system.

Building on this electron-spin control, we identify a single strongly coupled $^{13}$C nuclear spin through a hyperfine splitting of approximately 45MHz, resolved by optically detected magnetic resonance. By combining optical and microwave-assisted pumping, we achieve high-fidelity initialization of the electron and nuclear spins. We demonstrate coherent radio-frequency control of the nuclear spin, and randomized benchmarking yields single-qubit gate fidelities exceeding 99.9%. Dynamical decoupling extends the nuclear-spin coherence time to 1.35s.

Finally, we investigate the robustness of the nuclear spin under optical excitation. The measured difference between the ground- and excited-state hyperfine splittings is small. This suggests that the dephasing contribution from differential nuclear phase accumulation during optical excitation is weak, although optical-excitation-induced depolarization may still limit the achievable fidelity.
At the same time, the low photon collection efficiency of the bulk system highlights the need for photonic enhancement in future experiments, such as single-shot readout and cavity-enhanced light-matter interaction, which are important for achieving high entanglement rates in scalable quantum-network architectures.
Taken together, our results demonstrate coherent control of an SnV electron spin and of a strongly coupled $^{13}$C nuclear spin, and provide a basis for developing SnV-based systems in the context of future quantum-network nodes.