Individual nuclear spins in diamond can be optically detected through hyperfine couplings with the electron spin of a single nitrogen-vacancy (NV) center; such nuclear spins have outstandingly long coherence times. Among the hyperfine couplings in the NV center, the nearest neighbor 13C nuclear spins have the largest coupling strength. Nearest neighbor 13C nuclear spins have the potential to perform fastest gate operations, providing highest fidelity in quantum computing. Herein, we report on the control of coherences in the NV center where all three nearest neighbor carbons are of the 13C isotope. Coherence among the three and four qubits are generated and analyzed at room temperature.

1.
F.
Dolde
,
I.
Jakobi
,
B.
Naydenov
,
N.
Zhao
,
S.
Pezzagna
,
C.
Trautmann
,
J.
Meijer
,
P.
Neumann
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Phys.
9
,
139
(
2013
).
2.
E.
Togan
,
Y.
Chu
,
A. S.
Trifonov
,
L.
Jiang
,
J.
Maze
,
L.
Childress
,
M. V. G.
Dutt
,
A. S.
Sørensen
,
P. R.
Hemmer
,
A. S.
Zibrov
, and
M. D.
Lukin
,
Nature
466
,
730
(
2010
).
3.
H.
Bernien
,
B.
Hensen
,
W.
Pfaff
,
G.
Koolstra
,
M. S.
Blok
,
L.
Robledo
,
T. H.
Taminiau
,
M.
Markham
,
D. J.
Twitchen
,
L.
Childress
, and
R.
Hanson
,
Nature
497
,
86
(
2013
).
4.
P.
Neumann
,
N.
Mizuochi
,
F.
Rempp
,
P.
Hemmer
,
H.
Watanabe
,
S.
Yamasaki
,
V.
Jacques
,
T.
Gaebel
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Science
320
,
1326
(
2008
).
5.
L.
Robledo
,
L.
Childress
,
H.
Bernien
,
B.
Hensen
,
P. F. A.
Alkemade
, and
R.
Hanson
,
Nature
477
,
574
(
2011
).
6.
G.
Waldherr
,
Y.
Wang
,
S.
Zaiser
,
M.
Jamali
,
T.
Schulte-Herbrüggen
,
H.
Abe
,
T.
Ohshima
,
J.
Isoya
,
J. F.
Du
,
P.
Neumann
, and
J.
Wrachtrup
,
Nature
506
,
204
(
2014
).
7.
N.
Mizuochi
,
T.
Makino
,
H.
Kato
,
D.
Takeuchi
,
M.
Ogura
,
H.
Okushi
,
M.
Nothaft
,
P.
Neumann
,
A.
Gali
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
, and
S.
Yamasaki
,
Nat. Photonics
6
,
299
(
2012
).
8.
T. H.
Taminiau
,
J.
Cramer
,
T.
Van Der Sar
,
V. V.
Dobrovitski
, and
R.
Hanson
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
171
(
2014
).
9.
X.
Rong
,
J.
Geng
,
Z.
Wang
,
Q.
Zhang
,
C.
Ju
,
F.
Shi
,
C. K.
Duan
, and
J.
Du
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
050503
(
2014
).
10.
G.
Balasubramanian
,
P.
Neumann
,
D.
Twitchen
,
M.
Markham
,
R.
Kolesov
,
N.
Mizuochi
,
J.
Isoya
,
J.
Achard
,
J.
Beck
,
J.
Tissler
,
V.
Jacques
,
P. R.
Hemmer
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Mater.
8
,
383
(
2009
).
11.
N.
Mizuochi
,
P.
Neumann
,
F.
Rempp
,
J.
Beck
,
V.
Jacques
,
P.
Siyushev
,
K.
Nakamura
,
D. J.
Twitchen
,
H.
Watanabe
,
S.
Yamasaki
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. B
80
,
041201
(
2009
).
12.
N.
Bar-Gill
,
L. M.
Pham
,
A.
Jarmola
,
D.
Budker
, and
R. L.
Walsworth
,
Nat. Commun.
4
,
1743
(
2013
).
13.
A.
Gruber
,
A.
Drabenstedt
,
C.
Tietz
,
L.
Fleury
,
J.
Wrachtrup
, and
C.
von Borczyskowski
,
Science
276
,
2012
(
1997
).
14.
F.
Jelezko
,
T.
Gaebel
,
I.
Popa
,
M.
Domhan
,
A.
Gruber
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
130501
(
2004
).
15.
W.
Pfaff
,
T. H.
Taminiau
,
L.
Robledo
,
H.
Bernien
,
M. L.
Markham
,
D. J.
Twitchen
, and
R.
Hanson
,
Nat. Phys.
9
,
29
(
2012
).
16.
P. C.
Maurer
,
G.
Kucsko
,
C.
Latta
,
L.
Jiang
,
N. Y.
Yao
,
S. D.
Bennett
,
F.
Pastawski
,
D.
Hunger
,
N.
Chisholm
,
M.
Markham
,
D. J.
Twitchen
,
J. I.
Cirac
, and
M. D.
Lukin
,
Science
336
,
1283
(
2012
).
17.
G.
Arrad
,
Y.
Vinkler
,
D.
Aharonov
, and
A.
Retzker
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
150801
(
2014
).
18.
E. M.
Kessler
,
I.
Lovchinsky
,
A. O.
Sushkov
, and
M. D.
Lukin
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
150802
(
2014
).
19.
P.
Neumann
,
J.
Beck
,
M.
Steiner
,
F.
Rempp
,
H.
Fedder
,
P. R.
Hemmer
,
J.
Wrachtrup
, and
F.
Jelezko
,
Science
329
,
542
(
2010
).
20.
J. I.
Cirac
,
P.
Zoller
,
H. J.
Kimble
, and
H.
Mabuchi
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
3221
(
1997
).
21.
L.
Jiang
,
J. M.
Taylor
,
A.
Sørensen
, and
M.
Lukin
,
Phys. Rev. A
76
,
062323
(
2007
).
22.
K.
Fujii
,
T.
Yamamoto
,
M.
Koashi
, and
N.
Imoto
, e-print arXiv:1202.6588.
23.
A.
Gali
,
M.
Fyta
, and
E.
Kaxiras
,
Phys. Rev. B
77
,
155206
(
2008
).
24.
A.
Schweiger
and
G.
Jeschke
,
Principles of pulse electron paramagnetic resonance
(
Oxford University Press
,
New York
,
2001
).
25.
B.
Scharfenberger
,
W. J.
Munro
, and
K.
Nemoto
,
New J. Phys.
16
,
093043
(
2014
).
26.
P.
Tamarat
,
T.
Gaebel
,
J. R.
Rabeau
,
M.
Khan
,
A. D.
Greentree
,
H.
Wilson
,
L. C. L.
Hollenberg
,
S.
Prawer
,
P.
Hemmer
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
083002
(
2006
).
27.
V.
Jacques
,
P.
Neumann
,
J.
Beck
,
M.
Markham
,
D.
Twitchen
,
J.
Meijer
,
F.
Kaiser
,
G.
Balasubramanian
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
057403
(
2009
).
28.
M.
Mehring
,
J.
Mende
, and
W.
Scherer
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
153001
(
2003
).
29.
J. A.
Jones
,
S. D.
Karlen
,
J.
Fitzsimons
,
A.
Ardavan
,
S. C.
Benjamin
,
G. A. D.
Briggs
, and
J. J. L.
Morton
,
Science
324
,
1166
(
2009
).
30.
C. A.
Sackett
,
D.
Kielpinski
,
B. E.
King
,
C.
Langer
,
V.
Meyer
,
C. J.
Myatt
,
M.
Rowe
,
Q. A.
Turchette
,
W. M.
Itano
,
D. J.
Wineland
, and
C.
Monroe
,
Nature
404
,
256
(
2000
).
You do not currently have access to this content.