[論文レビュー] `Measurement-free' quantum feedback control of nuclear field squeezing in quantum dot

Wang Yao|arXiv (Cornell University)|May 15, 2009

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、二重量子ドット系において、一階および二階ハイペルフィン過程間の量子干渉を活用して核スピン環境を安定化する、測定を要しない量子フィードバック制御機構を提案する。核スピン場のフラクチュエーション、特に縦方向の磁場勾配と横方向の磁場に対して負のフィードバックをかけることで、外部測定を伴わずしてスイングルートリプレット量子ビットのデ coherent 時間をマイクロ秒領域に延長する。

ABSTRACT

In a coupled double quantum dot system, we present a theory for the interplay between electron and nuclear spins when the two-electron singlet state is brought into resonance with one triplet state in moderate external magnetic field. We show that the quantum interference between first order and second order hyperfine processes can lead to a feedback mechanism for manipulating the nuclear hyperfine fields. In a uniform external field, positive and negative feedback controls can be realized for the gradient of the longitudinal hyperfine field as well as the average transverse hyperfine field in the double dot. The negative feedback which suppresses fluctuations in the longitudinal nuclear field gradient can enhance the decoherence time of singlet-triplet qubit to microsecond regime. We discuss the possibility of enhancing the decoherence time of each individual spin in a cluster of dots using the negative feedback control on the transverse nuclear field.

研究の動機と目的

• 量子測定を要しない二重量子ドット内の核スピン環境のフィードバック制御機構の開発。
• 一階および二階ハイペルフィン過程間の量子干渉が核スピン場制御にどのように寄与するかの理解。
• スイングルートリプレット量子ビットのデ coherent 時間を延長するために、縦方向ハイペルフィン磁場勾配のフラクチュエーションを抑えること。
• 複数の量子ドットクラスタにおける個々のスピン安定化を目的として、このフィードバックを横方向核スピン場へ拡張すること。

提案手法

• 中程度の外部磁場下における二重量子ドット内の電子-核スピンダイナミクスの理論的分析。
• フィードバックの核心的メカニズムとして、一階および二階ハイペルフィン過程間の量子干渉の同定。
• 電子スイングルートリプレット状態と核スピンバスターミナルの相互作用をモデル化する有効ハミルトニアン法の使用。
• ハイペルフィン結合における干渉項の解析を通じて、縦方向磁場勾配および横方向磁場の両方のフィードバック条件の導出。
• 負のフィードバック条件下でのデ coherent 時間の増加を、数値的および解析的に評価。
• 個々のスピンの安定化を目的として、量子ドットクラスタへのフィードバック機構の拡張（横方向磁場制御による）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重量子ドット内のハイペルフィン過程間の量子干渉は、測定を伴わず内在的なフィードバックを生成できるか？
• RQ2 一階および二階ハイペルフィン過程の相互作用が、核スピン場の安定性にどのように影響するか？
• RQ3 縦方向ハイペルフィン磁場勾配に対する負のフィードバックが、量子ビットのデ coherent 時間に与える影響は何か？
• RQ4 横方向核スピン場のフィードバックは、複数のドットからなるクラスタにおける個々のスピンの安定化に利用可能か？
• RQ5 スイングルートリプレット量子ビットのコherencyを向上させるフィードバック制御の成立条件は何か？

主な発見

• 一階および二階ハイペルフィン過程間の量子干渉により、測定を伴わず核スピン場の内在的フィードバック制御が可能となる。
• 縦方向ハイペルフィン磁場勾配に対する負のフィードバックにより、フラクチュエーションが抑制され、スイングルートリプレット量子ビットのデ coherent 時間がマイクロ秒スケールに延長される。
• 縦方向ハイペルフィン磁場勾配および平均横方向ハイペルフィン磁場の両方で、正および負のフィードバックが実現可能である。
• 一様な外部磁場下でもフィードバック機構は頑健であり、実験的にアクセス可能な領域での制御が可能である。
• 横方向核スピン場への負のフィードバックの拡張により、複数のドットクラスタにおける個々のスピンの安定化への道筋が開かれる。
• 本方式は射影測定を必要とせず、量子コherencyを保持したままリアルタイムの安定化が可能である。