[論文レビュー] Isotopically engineered silicon/silicon-germanium nanostructures as basic elements for a nuclear spin quantum computer

I. Shlimak, V. I. Safarov+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2001

Quantum and electron transport phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、量子ドットにおけるハイパーファイン結合を介した核スピン状態の電気的検出を用いて、核スピン量子コンピュータのためのプラットフォームとして、同素体で設計されたSi/SiGeヘテロ構造を提案する。同素体工学により核スピン密度を最小限に抑えることで、長時間のデ coherent 時間を有する量子情報処理のためのqubitのコherent な制御が可能となる。

ABSTRACT

The idea of quantum computation is the most promising recent developments in the high-tech domain, while experimental realization of a quantum computer poses a formidable challenge. Among the proposed models especially attractive are semiconductor based nuclear spin quantum computer's (S-NSQC), where nuclear spins are used as quantum bistable elements, ''qubits'', coupled to the electron spin and orbital dynamics. We propose here a scheme for implementation of basic elements for S-NSQC's which are realizable within achievements of the modern nanotechnology. These elements are expected to be based on a nuclear-spin-controlled isotopically engineered Si/SiGe heterojunction, because in these semiconductors one can vary the abundance of nuclear spins by engineering the isotopic composition. A specific device is suggested, which allows one to model the processes of recording, reading and information transfer on a quantum level using the technique of electrical detection of the magnetic state of nuclear spins. Improvement of this technique for a semiconductor system with a relatively small number of nuclei might be applied to the manipulation of nuclear spin ''qubits'' in the future S-NSQC.

研究の動機と目的

• 同素体で精製されたSiとGeを用いて、スケーラブルで半導体ベースの核スピン量子コンピューティングプラットフォームを開発すること。
• 既存のGaAs/AlGaAs系におけるデコherenceの問題に取り組むため、同素体工学による核スピン密度の低減を図ること。
• 電子-核スピン結合を介した、記録、読み取り、情報の転送のための実現可能なルートを示すこと。
• 非常に少数の核を有する系における核スピン偏極の電気的検出を可能とすること。これは将来の量子コンピューティング応用にとって不可欠である。

提案手法

• スピンを運ぶ同素体（Si-29、Ge-73）の天然存在比が低い、同素体で設計されたSi/SiGeヘテロジャンクションを用い、核スピン密度を最小限に抑える。
• 3つのゲート（G1、G2、G3）を備えたラテラルゲート構造を設計し、孤立した核スピンを含む量子ドット（QD）を形成・制御する。
• 量子ホール効果領域における電子スピン共鳴（ESR）を用い、ハイパーファイン相互作用により核スピンを偏極化する。
• V1V1およびV2V2のプローブを用いた縦方向磁気抵抗測定により、オーバーハウザー効果を介して核スピン偏極を検出する。
• G3の電圧変調を用いて、QD間の結合を制御し、情報の転送を実現する。
• 磁場スイープ下での磁気抵抗のヒステリシスの検出に依存して、核スピン状態を読み取る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同素体で設計されたSi/SiGeヘテロ構造は、デコherenceが小さい長寿命核スピンqubitを支持できるか？
• RQ2 数100個の核を有する量子ドットにおいて、核スピン偏極の電気的検出は可能か？
• RQ3 量子ドット間の制御された結合によって、核スピン情報のコherent な転送が可能か？
• RQ4 オーバーハウザー効果は、スケーラブルでナノスケールのデバイスアーキテクチャにおいて、核スピン状態の読み取りに利用可能か？
• RQ5 同素体工学により、ほぼスピンフリーのチャネルを形成し、qubit状態を分離可能か？

主な発見

• 同素体で精製されたSiとGeの使用により、1つの量子ドットあたりの核スピン数が数100にまで減少し、スピン反転散乱によるデコherence が最小限に抑えられる。
• ESRによって誘発されるハイパーファイン結合により、核スピン偏極を記録でき、電子スピン遷移が核スピンに偏極を転送する。
• 磁気抵抗測定におけるヒステリシスを用いて、核スピン状態を読み取ることができ、偏極差（左QDではγ = 1、右QDではγ = 0）を示す。
• QD間の障壁を除去することで、QD間の結合を制御し、電子を介した核スピン緩和により、時間経過とともに偏極が等しくなることにより、情報の転送が実現される。
• オーバーハウザー効果により、非常に少数の核を有する中間スケール系においても、核スピン状態の電気的検出が可能となる。
• 提案されたデバイスは、現在のAFM支援リソグラフィーと同素体で精製された材料を用いることで実験的に実現可能であり、主な製造課題はアライメントである。