Precision quantum state preparation and readout of solid state spins

Abstract

In this thesis, quantum states of single spin systems in solid state are investigated for potential applications in quantum information processing. The studied system is the nitrogen-vacancy defect in diamond, which can be thought of as a molecule trapped inside the diamond crystal. An issue for high-fidelity state preparation is the intitialization of the system. The photo-induced charge state dynamics of the nitrogen-vacancy defect is determined, and methods for charge state initialization are beeing developed. The electron spin state of single nitrogen-vacancy defects can be read out optically. Here, we focus on nearby nuclear spins coupled to the electron spin. We investigate the quantum evolution of a single nuclear spin, measurement of non-orthogonal quantum states and improved magnetic field sensing. Based on three nuclear spins, a small quantum register is realized. We prepare and measure the GHZ and the W state in this register, and implement an algorithm for quantum error correction.

In dieser Arbeit werden Quantenzustände von Einzelspinsystemen in Festkörper für potenzielle Anwendungen in der Quanteninformationsverabeitung untersucht. Dabei wird das Stickstoff-Fehlstellen Zentrum in Diamant benutzt, dass man sich wie ein im Diamantkristall gefangenes Molekül vorstellen kann. Ein wichtiger Punkt zur genauen Zustandspräparation ist die Initialisierung des Systems. Die photo-induzierte Dynamik des Ladungszustands wird untersucht, und Methoden zur Initialisierung des Ladungszustands entwickelt. Der Elektronenspinzustand von einzelnen Stickstoff-Fehlstellen Zentren kann optisch ausgelesen werden. Hier konzentrieren wir uns auf naheliegende Kernspins, die an den Elektronenspin gekoppelt sind. Wir untersuchen die Quantenevolution eines einzelnen Kerspins, Messungen von nicht-orthogonalen Quantenzuständen, und verbessertes Magnetfeldsensing. Basierend auf drei Kernspins wird ein kleines Quantenregister realisiert. In diesem Register erzeugen und vermessen wir einen GHZ- und einen W-Zustand, und implementieren einen Algorithmus zur Quantenfehlerkorrektur.