We demonstrate that silicon-vacancy (SiV) centers in diamond can be used to efficiently generate coherent optical photons with excellent spectral properties. We show that these features are due to the inversion symmetry associated with SiV centers. The generation of indistinguishable single photons from separated emitters at 5 K is demonstrated in a Hong-Ou-Mandel interference experiment. Prospects for realizing efficient quantum network nodes using SiV centers are discussed.

Abstract Atomic-sized fluorescent defects in diamond are widely recognized as a promising solid state platform for quantum cryptography and quantum information processing. For these applications, single photon sources with a high intensity and reproducible fabrication methods are required. In this study, we report a novel color center in diamond, composed of a germanium (Ge) and a vacancy (V) and named the GeV center, which has a sharp and strong photoluminescence band with a zero-phonon line at 602 nm at room temperature. We demonstrate this new color center works as a single photon source. Both ion implantation and chemical vapor deposition techniques enabled fabrication of GeV centers in diamond. A first-principles calculation revealed the atomic crystal structure and energy levels of the GeV center.

Emitters of indistinguishable single photons are crucial for the growing field of quantum technologies. To realize scalability and increase the complexity of quantum optics technologies, multiple independent yet identical single-photon emitters are required. However, typical solid-state single-photon sources are inherently dissimilar, necessitating the use of electrical feedback or optical cavities to improve spectral overlap between distinct emitters. Here we demonstrate bright silicon vacancy (SiV−) centres in low-strain bulk diamond, which show spectral overlap of up to 91% and nearly transform-limited excitation linewidths. This is the first time that distinct single-photon emitters in the solid state have shown intrinsically identical spectral properties. Our results have impact on the application of single-photon sources for quantum optics and cryptography. In quantum optical technologies, identical emitters of indistinguishable single photons are difficult to realize due to the inherent dissimilarity of each emitting device. Here, Rogers et al.demonstrate a solid-state uniform single-photon source, which does not require external tuning of optical properties.

We demonstrate a quantum nanophotonics platform based on germanium-vacancy (GeV) color centers in fiber-coupled diamond nanophotonic waveguides. We show that GeV optical transitions have a high quantum efficiency and are nearly lifetime-broadened in such nanophotonic structures. These properties yield an efficient interface between waveguide photons and a single GeV without the use of a cavity or slow-light waveguide. As a result, a single GeV center reduces waveguide transmission by $18 \pm 1\%$ on resonance in a single pass. We use a nanophotonic interferometer to perform homodyne detection of GeV resonance fluorescence. By probing the photon statistics of the output field, we demonstrate that the GeV-waveguide system is nonlinear at the single-photon level.

We investigate phonon induced electronic dynamics in the ground and excited states of the negatively charged silicon-vacancy ($\mathrm{SiV}^-$) centre in diamond. Optical transition line widths, transition wavelength and excited state lifetimes are measured for the temperature range 4-350 K. The ground state orbital relaxation rates are measured using time-resolved fluorescence techniques. A microscopic model of the thermal broadening in the excited and ground states of the $\mathrm{SiV}^-$ centre is developed. A vibronic process involving single-phonon transitions is found to determine orbital relaxation rates for both the ground and the excited states at cryogenic temperatures. We discuss the implications of our findings for coherence of qubit states in the ground states and propose methods to extend coherence times of $\mathrm{SiV}^-$ qubits.

The silicon-vacancy ($\mathrm{SiV}^-$) color center in diamond has attracted attention due to its unique optical properties. It exhibits spectral stability and indistinguishability that facilitate efficient generation of photons capable of demonstrating quantum interference. Here we show high fidelity optical initialization and readout of electronic spin in a single $\mathrm{SiV}^-$ center with a spin relaxation time of $T_1=2.4\pm0.2$ ms. Coherent population trapping (CPT) is used to demonstrate coherent preparation of dark superposition states with a spin coherence time of $T_2^\star=35\pm3$ ns. This is fundamentally limited by orbital relaxation, and an understanding of this process opens the way to extend coherences by engineering interactions with phonons. These results establish the $\mathrm{SiV}^-$ center as a solid-state spin-photon interface.

We report on the noise spectrum experienced by few nanometer deep nitrogen-vacancy centers in diamond as a function of depth, surface coating, magnetic field and temperature. Analysis reveals a double-Lorentzian noise spectra consistent with a surface electronic spin bath, with slower dynamics due to spin-spin interactions and faster dynamics related to phononic coupling. These results shed new light on the mechanisms responsible for surface noise affecting shallow spins at semiconductor interfaces, and suggests possible directions for further studies. We demonstrate dynamical decoupling from the surface noise, paving the way to applications ranging from nanoscale NMR to quantum networks.

The negatively-charged silicon-vacancy (SiV$^-$) center in diamond is a promising single photon source for quantum communications and information processing. However, the center's implementation in such quantum technologies is hindered by contention surrounding its fundamental properties. Here we present optical polarization measurements of single centers in bulk diamond that resolve this state of contention and establish that the center has a $\langle111\rangle$ aligned split-vacancy structure with $D_{3d}$ symmetry. Furthermore, we identify an additional electronic level and evidence for the presence of dynamic Jahn-Teller effects in the center's 738 nm optical resonance.

Abstract Laser threshold magnetometry using the negatively charged nitrogen-vacancy (NV − ) centre in diamond as a gain medium has been proposed as a technique to dramatically enhance the sensitivity of room-temperature magnetometry. We experimentally explore a diamond-loaded open tunable fibre-cavity system as a potential contender for the realisation of lasing with NV − centres. We observe amplification of the transmission of a cavity-resonant seed laser at 721 nm when the cavity is pumped at 532 nm and attribute this to stimulated emission. Changes in the intensity of spontaneously emitted photons accompany the amplification, and a qualitative model including stimulated emission and ionisation dynamics of the NV − centre captures the dynamics in the experiment very well. These results highlight important considerations in the realisation of an NV − laser in diamond.

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