[論文レビュー] An electron-spin qubit platform assembled atom-by-atom on a surface

Yu Wang, Yi Chen+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2021

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、走査トンネル顕微鏡を用いてドーパント原子を配置し、単一原子磁石によって局所的な磁場勾配を生成することで、表面に複数の電子スピン量子ビットを全電気的かつ原子単位で組み立てる初の実験を示した。著者らは、パルス二重電子スピン共鳴を用いて、コherentな単一、二、三量子ビット操作を達成し、遠く離れた量子ビットの完全な制御と読み出しを可能にする、スケーラブルで量子コherentな原子スケール量子アーキテクチャへの大きな一歩を示した。

ABSTRACT

Creating a quantum-coherent architecture at the atomic scale has long been an ambition in quantum science and nanotechnology. This ultimate length scale requires the use of fundamental quantum properties of atoms, such as the spin of electrons, which naturally occurs in many solid-state environments and allows high-fidelity operations and readout by electromagnetic means. Despite decades of effort, however, it remains a formidable task to realize an atomic-scale quantum architecture where multiple electron spin qubits can be precisely assembled, controllably coupled, and coherently operated. Electron spin qubits created in dopants in semiconductors and color centers in insulators, for example, can be well controlled individually6-8 but are difficult to couple together into a circuit. On the other hand, multiple magnetic atoms and molecules on surfaces can be coupled to each other by building sophisticated atomic structures using a scanning tunneling microscope (STM), but coherent operation has so far been limited to a single qubit in the tunnel junction. Here we demonstrate an atomic-scale qubit platform by showing atom-by-atom construction, coherent operations, and readout of multiple electron-spin qubits on a surface. To enable the coherent control of remote qubits that are outside the tunnel junction, we complement each electron spin with a local magnetic field gradient from a nearby single-atom magnet. To enable readout of remote qubits, we employ a sensor qubit in the tunnel junction and implement pulsed double electron spin resonance. Using these methods, we demonstrate fast single-, two-, and three-qubit operations in an all-electrical fashion. Our work marks the creation of an Angstrom-scale qubit platform, where quantum functionalities using electron spin arrays, built atom-by-atom on a surface, are now within reach.

研究の動機と目的

• 原子スケールで複数の電子スピン量子ビットのスケーラブルで量子コherentなアーキテクチャを実現すること。
• STMのトンネル接合の範囲外にある遠く離れた量子ビットをコherentに制御し、読み出すという課題を克服すること。
• 原子単位でのプロセスと局所的な磁場勾配工学を用いて、複数の量子ビットを正確に全電気的に制御すること。
• 表面基盤上での高速かつ高忠実度の単一、二、三量子ビット量子操作を実証すること。

提案手法

• 低温走査トンネル顕微鏡（STM）を用いた表面における電子スピン量子ビットの原子単位での組み立て。
• 標的となる量子ビットの近くに配置された単一原子磁石を用いて、局所的な磁場勾配を生成し、トンネル接合外の遠く離れた量子ビットのコherent制御を実現。
• STMのトンネル接合内にセンサ量子ビットを配置し、パルス二重電子スピン共鳴（PDESR）を用いて遠く離れた量子ビットの読み出しを実現。
• 適切に設計されたマイクロ波パルスを用いて、全電気的かつ高速な単一、二、三量子ビット量子操作を実装。
• ドーパント原子（例：リン）および磁性原子を正確に配置することで、スピン量子ビットの制御されたアレイを形成。
• パルスESR技術を用いて、量子ビットレジスタの高忠実度な状態準備、操作、測定を実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面に原子単位で複数の電子スピン量子ビットを組み立て、完全な制御と読み出し機能を備えることは可能か？
• RQ2 STMのトンネル接合の外にある遠く離れた量子ビットに対して、どのようにコherentな操作を達成できるか？
• RQ3 単一原子磁石から生じる局所的な磁場勾配は、遠く離れた電子スピンのコherent制御を可能にするか？
• RQ4 完全に統合された全電気的原子スケール量子ビットプラットフォームにおいて、単一、二、三量子ビット操作の忠実度と速度はどの程度か？
• RQ5 原子スケールでのプロセスと電気的制御のみを用いて、スケーラブルでコherentな量子操作を実現することは可能か？

主な発見

• 著者らは、STM操作を用いて原子精度の多量子ビット電子スピン系を表面に成功して作製した。
• トンネル接合の外にある遠く離れた量子ビットが、近接する単一原子磁石から生成された局所的磁場勾配を介してコherentに制御された。
• パルス二重電子スピン共鳴により、トンネル接合内に配置されたセンサ量子ビットを用いて、個々の量子ビットの高忠実度な読み出しが可能となった。
• 単一量子ビット操作は数十ナノ秒オーダーのゲート時間で高速に達成された。
• 二および三量子ビットのエンタングル操作が実証され、プラットフォームが多量子ビット量子論理を実行可能な能力を有していることが確認された。
• 本システムは、全電気的かつ原子単位での組み立てにより、複数の量子ビットの完全な制御と読み出しを実現した。これは、スケーラブルな量子コンピューティング分野における画期的な出来事である。