Silicon vacancy colour centres in diamond: coherence properties & quantum control

Abstract

The scope of this thesis is to investigate the coherence properties of negatively charged silicon vacancy centres (SiV) in diamond and to establish techniques to coherently control their quantum state, aiming at applications in quantum information processing. For the first time, using coherent population trapping (CPT) in magnetic fields, we determine the centres ground state electron spin coherence time to amount to 45 ns at 4.2 K. To investigate the limiting processes, we realize a confocal microscope operating in a dilution refrigerator at temperatures as low as 12 mK. Using further CPT and optical pumping experiments, we identify a resonant coupling to a spin bath as a source of decoherence persisting at millikelvin temperatures, in addition to phonon-mediated processes at higher temperatures. Using Raman transitions we realize optical Rabi oscillations, Ramsey interference and spin echo measurements to validate these findings and simultaneously demonstrate coherent control at 12 mK. We further extend these techniques to achieve full resonant and Raman-based all-optical coherent control using laser pulses as short as 1ps, reaching exceptional control speeds. Finally, we demonstrate for the first time coherent manipulation of SiV ensembles using stimulated Raman adiabatic passage and Raman absorption of a weak signal aided by a strong control pulse as a proof-of-principle experiment towards a SiV-based Raman quantum memory.

In dieser Arbeit werden die Kohärenzeigenschaften negativ geladener Silizium-Fehlstelle-Farbzentren (SiV) in Diamant untersucht und Techniken zu deren kohärenter Kontrolle entwickelt, mit dem Ziel sie für die Quanteninformationsverarbeitung nutzbar zu machen. Mittels "coherent population trapping" (CPT) in Magnetfeldern wird erstmals die Elektronenspin-Kohärenz einzelner SiV- bestimmt und eine Kohärenzzeit von 45 ns bei 4.2K ermittelt. Weitere Untersuchungen in einem Verdünnungskryostat bei Temperaturen von bis zu 12mK identifizieren eine resonante Kopplung an ein Spinbad als wichtigste Quelle von Dekohärenz im Millikelvin-Regime, während bei höheren Temperaturen zusätzlich Phononen-assistierte Prozesse relevant werden. Dies wird durch Raman-basierte optische Rabi-, Ramsey- und Spin Echo-Experimente bestätigt, welche gleichzeitig kohärente Kontrolle bei 12mK demonstrieren. Unter Verwendung ultrakurzer Laserpulse werden diese Techniken schließlich erweitert und erstmalig resonante sowie Raman-basierte optische kohärente Kontrolle auf der Pikosekunden-Skala realisiert. Abschließend wird auch die kohärente Manipulation von SiV--Ensembles untersucht und kohärenter Populationstransfer mittels stimuliertem adiabatischem Raman-Transfer sowie Raman-Absorption eines schwachen Signals mittels eines starken Kontrollfelds demonstriert. Diese Experimente bilden die Grundlage für die Entwicklung eines SiV-basierten optischen Quantenspeichers.