[論文レビュー] A coherent beam splitter for electronic spin states

J. R. Petta, Hai‐Feng Lü+1 more|Oct 4, 2010

Quantum and electron transport phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、スピン状態の二重量子ドットにおけるスピン状態の全電気的、ナノ秒スケールのコherentビームスプリッターを、スピン三重項反対称状態のLandau-Zener遷移を用いて実証した。ゲート電圧を調整して反対称状態を通過させることで、スピン三重項状態（T+）との間でコherentな振動が生じ、核スピン浴とのハイパーフィン結合を介した量子制御が達成され、観測されたシュテッケルベルク干渉が1.5–1.6 ns周期でのコherentなダイナミクスを確認した。

ABSTRACT

Rapid coherent control of electron spin states is required for implementation of a spin-based quantum processor. We demonstrate coherent control of electronic spin states in a double quantum dot by sweeping an initially prepared spin singlet state through a singlet-triplet anti-crossing in the energy level spectrum. The anti-crossing serves as a beam splitter for the incoming spin singlet state. Consecutive crossings through the beam splitter, when performed within the spin dephasing time, result in coherent quantum oscillations between the singlet state and a triplet state. The all-electrical method for quantum control relies on electron-nuclear spin coupling and drives single electron spin rotations on nanosecond timescales.

研究の動機と目的

• 半導体二重量子ドットにおける単一電子スピン状態の高速かつ全電気的コherent制御を達成すること。
• 局所化およびスケーラビリティに難がある従来の電子スピン共鳴（ESR）および光学的手法の制限を克服すること。
• スピン三重項反対称状態が量子状態操作のためのビームスプリッターとして機能できることを実証すること。
• 局所的ゲート電圧パルスのみを用いてスピン三重項状態（T+）との間でコherentな振動を実現すること。
• 高速で局所的かつコherentな単一スピン回転を可能にすることで、スケーラブルなスピン基盤量子計算を実現すること。

提案手法

• システムは三重量子ドット構造における二重量子ドット（DQD）を用い、ゲート電圧VLおよびVRによりデチューニングεを調整することでエネルギー準位を制御する。
• 正のデチューニングでスピン三重項状態が準備され、急速な電圧パルス（約1.1 ns）によりS-T+反対称状態を通過させ、Landau-Zener遷移を誘発する。
• 反対称状態を戻るスイープにより、スピン三重項状態（T+）との間でコherentな量子振動が生成され、位相の蓄積はゼーマンエネルギーとデチューニングに支配される。
• 量子ポイントコンタクト（QPC）を介したスピン-電荷変換により、最終的なスピン三重項状態確率PSが測定される。
• システムのダイナミクスはユニタリー操作を用いてモデル化され、PLZ = 1/2のとき50:50ビームスプリッター（アダマールに類似したゲート）と、デチューニングパルス中の位相蓄積によるZ回転が含まれる。
• パルス形状とスイープレート制御により、Landau-Zener遷移確率PLZを調整し、反対称状態付近でのレベル速度を最小限に抑えて可視度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重量子ドットにおけるスピン三重項反対称状態は、電子スピン状態のコherentビームスプリッターとして機能できるか？
• RQ2 核スピン浴とのハイパーフィン相互作用が、スピン三重項状態とスピン三重項状態（T+）間のコherentな振動をどのように可能にするか？
• RQ3 Landau-Zener遷移確率はスイープレートに依存するか？また、高精度な量子操作を達成するために調整可能か？
• RQ4 反対称状態を繰り返し通過するスイープにより、観測可能なシュテッケルベルク干渉パターンが得られるか？
• RQ5 パルス形状の最適化は、コherentスピン回転の可視度および忠実度をどの程度向上できるか？

主な発見

• スピン三重項状態（T+）との間で約1.5 ns周期のコherentな振動が観測され、100 mTの磁場下でのゼーマンエネルギー（1.6 ns）とよく一致した。
• 測定されたスピン三重項状態の戻り確率PSは、デチューニングおよびパルス長の関数として明確なシュテッケルベルク干渉縞を示し、コherentなダイナミクスを確認した。
• 振動の可視度は15%～30%の範囲にあり、低スイープレートで可視度が向上した。これは測定条件におけるPLZ ≈ 0.96を示唆した。
• 外部磁場（BE）が減少するにつれて干渉パターンがシフトし、遅延する傾向を示し、ゼーマン分裂および反対称状態エネルギーのシフトに基づく理論予測と整合的であった。
• ユニタリー操作と位相蓄積を用いた理論的モデリングにより、PSの実験データとよく一致した。可視度はPLZ = 0.96によって決定された。
• パルス長が増加するに従って振動が減衰する現象は、オーバーハウザー場のフラクチュエーションに起因するとされ、主要なデコherence機構であるとされた。