[論文レビュー] Coherent control of a single spin with electric fields

Katja C. Nowack, Frank H. L. Koppens+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2007

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、局所ゲートを用いて周期的電場を生成することで、量子ドット内の単一電子スピンを整合的かつ電気的に制御することを示した。これにより、約55ナノ秒のスピン回転時間でπ/2回転を達成するラビ振動が実現された。スピン遷移はスピン軌道相互作用によって媒介され、スピンキュービットの完全な電気的制御が可能となる。これはスケーラブルな量子コンピューティングにとって重要な要素である。

ABSTRACT

Manipulation of single spins is essential for spin-based quantum information processing. Electrical control instead of magnetic control is particularly appealing for this purpose, since electric fields are easy to generate locally on-chip. We experimentally realize coherent control of a single electron spin in a quantum dot using an oscillating electric field generated by a local gate. The electric field induces coherent transitions (Rabi oscillations) between spin-up and spin-down with pi/2 rotations as fast as ~55ns. Our analysis indicates that the electrically-induced spin transitions are mediated by the spin-orbit interaction. Taken together with the recently demonstrated coherent exchange of two neighboring spins, our results demonstrate the feasibility of fully electrical manipulation of spin qubits.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子コンピューティングを実現するため、磁場ではなく電場を用いて単一電子スピンの整合的制御を達成すること。
• 局所ゲートからの電場が、量子ドット内のスピン状態間で整合的ラビ振動を誘発できることを実証すること。
• 電気的駆動スピン遷移の背後にある物理的メカニズム（スピン軌道相互作用）を特定すること。
• オンチップ統合に適した完全な電気的スピンキュービット制御の実現可能性を確立すること。

提案手法

• 静電的ゲートを用いて半導体量子ドット内で電子スピンを閉じ込める。
• 局所ゲートを用いて空間的に局在化した周期的電場を生成する。
• スピン依存輸送を用いてスピン上状態とスピン下状態間のラビ振動を測定する。
• 電場は直接磁気モーメントに結合するのではなく、スピン軌道結合を通じてスピン遷移を誘発する。
• 振動周波数とコherー二ンス時間の測定により、システムを特徴づける。
• スピン軌道結合の理論的モデルと実験結果を比較することで、メカニズムを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子ドット内での単一電子スピンの整合的制御が、磁場を一切用いずに電場のみで達成可能か？
• RQ2 単一スピン系において、電場によって誘発されるラビ振動の時間スケールは何か？
• RQ3 この系において、電気的駆動スピン遷移の主なメカニズムはスピン軌道相互作用か？
• RQ4 他の実装と比較して、電気的駆動スピン回転のコherー二ンスはいかがな状態か？

主な発見

• π/2パルスの最小回転時間は約55ナノ秒であり、スピン上状態とスピン下状態間の整合的ラビ振動が観測された。
• 電場は直接スピン磁気モーメントに結合するのではなく、スピン軌道相互作用を通じてスピン遷移を誘発する。
• 局所電場のみを用いて高精度なスピン回転が実現され、オンチップ統合に適している。
• 量子ドット内のスピンキュービットの完全な電気的制御の実現可能性が実証された。
• 観測されたラビ周波数は、スピン軌道結合に基づく理論予測と整合的である。
• スピンキュービットのコherー二ンスが複数の振動周期にわたり維持されており、低デコherー二ンス率を示している。