[論文レビュー] Demonstration of weak optical pumping of a spin qubit in a site-controlled nanowire quantum dot

Konstantinos G. Lagoudakis, Peter L. McMahon+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2014

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、スケーラブルですべて光で制御されるスピンキュービットを実現するための、故障耐性のある量子計算に不可欠なステップとして、弱い光ポンプを用いたサイト制御ナノワイヤ量子ドットにおける単一スピンの高忠実度の光学的初期化を示している。この技術により、スケーラブルでアレイ互換性を持つプラットフォーム上でスピンキュービットの決定的準備が可能になる。

ABSTRACT

A fault-tolerant quantum repeater or quantum computer using solid-state spin-based quantum bits will likely require a physical implementation with many spins arranged in a grid. Self-assembled quantum dots (QDs) have been established as attractive candidates for building spin-based quantum information processing devices, but such QDs are randomly positioned, which makes them unsuitable for constructing large-scale processors. Recent efforts have shown that quantum dots embedded in nanowires can be deterministically positioned in regular arrays, can store single charges, and have excellent optical properties, but so far there have been no demonstrations of spin qubit operations using nanowire quantum dots. Here we demonstrate optical pumping of individual spins trapped in site-controlled nanowire quantum dots, resulting in high-fidelity spin-qubit initialization. This represents the next step towards establishing spins in nanowire quantum dots as quantum memories suitable for use in a large-scale, fault-tolerant quantum computer or repeater based on all-optical control of the spin qubits.

研究の動機と目的

• サイト制御ナノワイヤ量子ドットを用いた、スピンベースの量子情報処理のためのスケーラブルなプラットフォームの開発。
• 自己組織的量子ドットのランダムな配置による制限を克服し、規則的なアレイ内での決定的配置を実現。
• ナノワイヤ量子ドットにおける単一スピンの光学的制御を確立し、量子計算のための初期化と操作を可能にする。
• ナノワイヤ量子ドットが光ポンプを用いて高忠実度のスピンキュービット初期化を可能にすることを実証。
• すべて光で制御されるスピン制御に基づく、故障耐性のある量子リピーターおよび大規模量子コンピュータの実現に向けた道筋を築く。

提案手法

• サイト制御ナノワイヤ量子ドットを用いて、規則的なアレイ内での量子ドットの決定的配置を実現。
• 弱い光ポンプを用いて、量子ドットに閉じ込められた単一電子のスピン状態を初期化。
• ナノワイヤ量子ドットの優れた光学的特性を活用し、光を用いた効率的なスピン状態準備を実現。
• 単一量子ドットレベルでの光励起を用いて、スピン選択的光学遷移によるスピン極化を達成。
• 偏光分解型フォトルミネッセンスを用いて、スピン極化度および初期化の忠実度を検証。
• 単一電荷の保持能力を確保し、良好に定義されたスピンキュービット状態を維持。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱い光ポンプを用いたサイト制御ナノワイヤ量子ドットにおいて、高忠実度のスピンキュービット初期化が達成可能か？
• RQ2 ナノワイヤ量子ドットの決定的配置が、大規模量子プロセッサへのスケーラブル統合を可能にするか？
• RQ3 ナノワイヤ量子ドットが、すべて光で制御される量子情報処理に必要な光学的およびスピン的性質を有するか？
• RQ4 この系における弱い光ポンプによるスピン初期化の忠実度はいかほどか？
• RQ5 これらの量子ドット内の単一スピンが、光学的制御のみで信頼性高く準備可能か？

主な発見

• サイト制御ナノワイヤ量子ドットにおける単一スピンの高忠実度初期化が、弱い光ポンプを用いて達成された。
• この方法により、スケーラブルでアレイ互換性を持つプラットフォーム上で、決定的かつすべて光で制御されたスピンキュービット状態の準備が可能になった。
• サイト制御ナノワイヤ量子ドットは、スピン初期化および操作に適した優れた光学的特性を示した。
• 実証された光ポンプ技術は強いスピン極化をもたらし、高初期化忠実度を示している。
• システムは単一電荷の保持を可能としており、安定的かつ良好に定義されたスピンキュービット状態を保証している。
• 本研究は、ナノワイヤ量子ドットを故障耐性のある量子計算アーキテクチャにおける量子メモリとして用いるための重要な基盤を確立した。