[論文レビュー] A single-atom quantum memory in silicon

Solomon Freer, Stephanie Simmons+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2016

Quantum and electron transport phenomena参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、イソトープで強化された28Siに埋め込まれた1個の31P供与体の電子スピンと核スピンを量子ビットとして用い、単一原子量子メモリを実装した。量子情報は、電子-核スピン共鳴パルスを介して高速な電子スピンから長寿命の核スピンへ転送され、動的デカップリングを用いることで80 msまで記憶時間が延長され、プロセスの忠実度は81%に達した。この性能は、パルスによって引き起こされる電子スピン共鳴周波数のシフトに制限されている。

ABSTRACT

Long coherence times and fast gate operations are desirable but often conflicting requirements for physical qubits. This conflict can be resolved by resorting to fast qubits for operations, and by storing their state in a `quantum memory' while idle. The $^{31}$P donor in silicon comes naturally equipped with a fast qubit (the electron spin) and a long-lived qubit (the $^{31}$P nuclear spin), coexisting in a bound state at cryogenic temperatures. Here, we demonstrate storage and retrieval of quantum information from a single donor electron spin to its host phosphorus nucleus in isotopically-enriched $^{28}$Si. The fidelity of the memory process is characterised via both state and process tomography. We report an overall process fidelity of $F_p =$81${\pm}$7%, a memory fidelity ($F_m$) of over 90%, and memory storage times up to 80 ms. These values are limited by a transient shift of the electron spin resonance frequency following high-power radiofrequency pulses.

研究の動機と目的

• シリコン中の供与体を用いて、単一原子レベルの量子メモリを実装し、31Pの電子スピンと核スピンを量子ビットとして活用すること。
• 電子スピンから核スピンへの量子情報の高忠実度での記録・再生を達成すること。
• 動的デカップリング（DD）パルスを適用することで、固有の核スピン共鳴時間よりも長く記憶時間を延長すること。
• プロセスおよびメモリの忠実度を制限する主要なデコherence要因を同定・特徴づけること。
• シリコンベースの量子コンピューティングアーキテクチャにおけるスケーラブルで高忠実度の量子情報処理を可能にすること。

提案手法

• 磁気的デコherenceを最小限に抑えるために、イソトープで強化された28Siエpitlayerに1個の31P供与体をイオンドープで埋め込む。
• 単一電子トランジスタ（SET）を用いて、電子スピン状態のシングルショット読み出しを実現する。
• マイクロ波およびラジオ周波数（RF）パルスを、ブロードバンドアンテナを介して、電子スピンおよび核スピンをコherently制御する。
• 電子-核スピン共鳴（ENDOR）パルスを用いて、電子スピンから核スピンへの量子コherーの転送を実行し、記憶を行う。
• 記憶中、核スピンに動的デカップリング（DD）パルス、特にCPMGシーケンスを適用することで、共鳴時間の延長を図る。
• 状態およびプロセストロポロジーは、ラムゼイ干渉計と補助的なマイクロ波パルスを用いて、任意の基底で忠実度を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高忠実度で、量子情報がシリコン中の1個の電子スピンからその31P核スピンへコherently転送可能か？
• RQ2 シリコン中の単一原子量子メモリで達成可能な最大記憶時間はどの程度か？
• RQ3 この系において、プロセスおよびメモリの忠実度を制限する主要なデコherence要因は何か？
• RQ4 動的デカップリングは、核スピンメモリの共鳴性にどのように影響するか？
• RQ5 パルス誘発周波数シフトを低減することで、メモリの忠実度を向上させられるか？

主な発見

• 量子メモリプロトコル全体のプロセス忠実度は81% ± 7%に達し、古典的限界の2/3を著しく上回っている。
• メモリの忠実度は92%に測定され、高忠実度の状態転送および記憶が実現していることが示された。
• 256個のCPMGパルスを用いることで、最大80 msの記憶時間が達成され、核スピン共鳴時間と一致した。
• メモリの共鳴時間は、CPMGパルス数Nの0.36乗に比例して増加し、核スピンCPMG時間に近づく傾向を示した。
• 高出力RFパルス後に発生する一時的な電子スピン共鳴周波数シフトが、忠実度および共鳴性の劣化の主な要因であると特定された。
• 核スピン共鳴時間は、同じデバイスで以前の実験と比較して顕著に長くなったが、核スピンに未検出のパルス誘発シフトが寄与している可能性があると示唆された。