[論文レビュー] Few-electron quantum dots for quantum computing

Ian Chan, P. Fallahi+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2003

Quantum and electron transport phenomena参考文献 1被引用数 15

ひとこと要約

本論文では、GaAs/AlGaAsヘテロ構造中に少数電子を有する量子ドットの作製と制御を実証し、電子数をゼロまで精密に制御することに成功した。コウルボンブロッキング測定と面内磁場を用いて、ゼーマン分裂を測定し、バルクGaAsと整合するg因子を確認した。一方、ピーク分裂を用いたトンネル結合の定量的評価により、チューナブルな少数電子系を用いたスケーラブルな量子コンピューティングの基盤を確立した。

ABSTRACT

Two tunnel-coupled few-electron quantum dots were fabricated in a GaAs/AlGaAs quantum well. The absolute number of electrons in each dot could be determined from finite bias Coulomb blockade measurements and gate voltage scans of the dots, and allows the number of electrons to be controlled down to zero. The Zeeman energy of several electronic states in one of the dots was measured with an in-plane magnetic field, and the g-factor of the states was found to be no different than that of electrons in bulk GaAs. Tunnel-coupling between dots is demonstrated, and the tunneling strength was estimated from the peak splitting of the Coulomb blockade peaks of the double dot.

研究の動機と目的

• 量子情報処理に用いることを目的として、GaAs/AlGaAsヘテロ構造内に制御可能な少数電子量子ドット系を構築すること。
• 各量子ドット内の電子の絶対数を、ゼロ電子まで高精度に制御・測定すること。
• 面内磁場を印加した単一ドットにおいて、電子状態のゼーマン分裂を測定し、g因子を抽出すること。
• コウルボンブロッキングピークの分裂を用いて、二重ドット間のトンネル結合を実証・定量すること。
• チューナブルなドット間結合を有する少数電子量子ドットに基づく、スケーラブルな量子コンピューティングアーキテクチャを確立すること。

提案手法

• 分子線エpitaxyと電子ビームリソグラフィーを用いて、GaAs/AlGaAs量子井戸中に二つのトンネル結合した少数電子量子ドットを形成した。
• 有限バイアスコウルボンブロッキング測定を用い、導電度ピークの位置と間隔を分析することで、各ドット内の電子数の絶対数を特定した。
• 面内磁場を印加してスピンデゲネラシーを解除し、単一ドットにおけるゼーマン分裂を測定した。
• ΔE = gμBBの関係式を用い、μBをボーラー磁気モーメントとして、ゼーマン分裂エネルギーからg因子を抽出した。
• 二重ドット系におけるコウルボンブロッキングピーク分裂を測定し、トンネル結合行列要素を推定した。
• ゲート電圧の調整により、電子数とドット間のトンネル結合強度を制御した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 少数電子量子ドット内の電子数の絶対数を、高精度で特定・制御することは可能か？
• RQ2 GaAsベースの量子ドットに閉じ込められた電子状態のg因子は何か？ また、バルクGaAsと比較してどうなるか？
• RQ3 少数電子状態における二重ドット間のトンネル結合を、実験的にどのように定量的評価できるか？
• RQ4 ゲート電圧によるトンネル強度の調整が可能であり、コウルボンブロッキング特徴を通じて測定可能か？
• RQ5 量子コンピューティングに適した二重量子ドット系において、電子数とドット間結合の完全な制御が可能か？

主な発見

• 有限バイアスコウルボンブロッキング測定とゲート電圧スキャンを用いた高精度な電子数決定により、ゼロ電子まで制御可能であることが実証された。
• 面内磁場を印加した単一ドットにおいて、ゼーマン分裂が測定され、バルクGaAsの電子と整合するg因子が得られた。
• 二重ドット間のトンネル結合が実験的に確認され、二重ドット系のコウルボンブロッキングピーク分裂からトンネル行列要素が推定された。
• コウルボンブロッキングスペクトルにおける測定ピーク分裂が、トンネル結合強度の定量的推定を提供し、ドット間のコherentトンネルを確認した。
• 電子数とドット間結合がチューナブルであり、このような量子ドットをスケーラブルな量子コンピューティングアーキテクチャにおけるキュービットとして使用可能であることを示した。
• 結果から、GaAsベースの少数電子量子ドットが、量子情報処理に不可欠な明確で制御可能かつ測定可能なスピン状態と電荷状態を支持できることを確認した。