[論文レビュー] Coupling and coherent electrical control of two dopants in a silicon nanowire

Eva Dupont-Ferrier, B. Roche+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2012

Quantum and electron transport phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、マイクロ波駆動型ランドウ＝ツェナー＝シュタッケルベルグ干渉計を用いて、シリコンナノワイヤートランジスタ内に配置された2つのヒ素ドーパント原子の整合的な電気的制御を実証した。ゲート電圧を調整して2準位電荷系を分離することで、最大10個のマイクロ波光子からの量子干渉パターンを観測し、電荷のデコherence時間は0.3 nsであった。これは、シリコン量子コンピューティングにおける高速かつ整合的なドーパントベースのキュービット実現への道筋を示している。

ABSTRACT

Electric control of individual atoms or molecules in a solid-state system offers a promising way to bring quantum mechanical functionalities into electronics. This idea has recently come into the reach of the established domain of silicon technology, leading to the realization of single-atom transistors and to the first measurements of electron spin dynamics in single donors. Here we show that we can electrically couple two donors embedded in a multi-gate silicon transistor, and induce coherent oscillations in their charge states by means of microwave signals. We measure single-electron tunneling across the two donors, which reveals their energy spectrum. The lowest energy states, corresponding to a single electron located on either of the two donors, form a two-level system (TLS) well separated from all other electronic levels. Gigahertz driving of this TLS results in a quantum interference pattern associated with the absorption or the stimulated emission of up to ten microwave photons. We estimate a charge dephasing time of 0.3 nanoseconds, consistent with other types of charge quantum bits. Here, however, the relatively short coherence time can be counterbalanced by fast operation signals (in principle up to 1 terahertz) as allowed by the large empty energy window separating ground and excited states in donor atoms. The demonstrated coherent coupling of two donors constitutes an essential step towards donor-based quantum computing devices in silicon.

研究の動機と目的

• シリコンナノワイヤートランジスタ内に配置された2つの個々の不純物原子（As）間で、整合的な電気的結合を実現すること。
• マイクロ波励起を用いて、二重ドーパント系の電荷状態の整合的制御を実証すること。
• ランドウ＝ツェナー＝シュタッケルベルグ干渉計を用いて、ドーパントベースの2準位系における量子コherenceを調べること。
• 電荷のデコherence時間と固体状態のドーパントキュービット系におけるcoherenceの限界を測定すること。
• ドーパント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高周波動作（最大1 THz）の実現可能性を評価すること。

提案手法

• イオンドーピングを用いて、40 nmのチャネル領域に少数のAsドーパントをドーピングしたマルチゲート型シリコンナノワイヤートランジスタをフォーマーした。
• 2つのトップゲート（GL、GR）とバックゲート（VBG）を用いて、2つのドーパントのエネルギー準位をソース・ドレイン電圧と共鳴状態に電気的に調整した。
• 低温（15 mK）での輸送測定を実施し、ドーパント対を通過する単一電子トンネルを検出した。
• 1つのトップゲートにマイクロ波信号を印加して、ドーパントの（0,1）および（1,0）電荷状態間のコherentなラビ様振動を駆動した。
• トンネル結合Δ、デコherence時間T₂、およびトンネル率ΓL、ΓRを含むベッセル関数に基づく式を用いて、観測されたランドウ＝ツェナー＝シュタッケルベルグ干渉パターンをモデル化した。
• 干渉縞をフィッティングして、Δ/h = 125 MHz、T₂ = 0.3 ns、η = 4.1 ns²を抽出し、coherenceおよびデコherenceダイナミクスを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンナノワイヤー内の2つの個々の不純物原子が、電気的に結合して整合的2準位系を形成できるか？
• RQ2 マイクロ波駆動型の整合的振動が、二重ドーパント電荷キュービットで誘発され、観測可能か？
• RQ3 二重ドーパント系の電荷デコherence時間T₂は何か？ そして、何がそれを制限しているか？
• RQ4 マイクロ波駆動周波数の変化が、量子干渉パターンの可視性に与える影響は何か？
• RQ5 ドーパント系に大きなエネルギー差があるにもかかわらず、最大1 THzまでの高周波動作が、不要な励起を誘発せずに達成可能か？

主な発見

• 2つのAsドーパントによって、良好に分離された2準位系（TLS）が形成された。 (0,1)および(1,0)電荷状態は4.5 meVのエネルギー差を示し、これは30 nmのドーパント間隔に対応する。
• マイクロ波駆動型のコherentラビ振動が観測され、最大10個のマイクロ波光子の吸収または放出に対応する干渉縞が観測された。
• 電荷デコherence時間T₂は0.3 nsと測定され、他の電荷キュービット系と整合的であり、ゲートリードのノイズによって制限されていないことが示された。
• マイクロ波周波数を変化させることで、コherentから非コherent駆動への遷移が実験的に示された：fMWがT₂⁻¹を超えると干渉縞が消失した。
• fMW = 10 GHz（～3/T₂）では、アントイクロスの通過を複数回繰り返すことで、複雑な干渉パターンが生じたが、fMW = 1 GHz（～T₂⁻¹/3）では、連続する通過間でもcoherenceが失われた。
• 基底状態と励起状態の間の大きなエネルギー差のおかげで、1 THzまでの周波数での動作が可能であり、中程度のT₂であっても高速ゲート操作が可能となる。