[論文レビュー] Quantum optical interface for gate-controlled spintronic devices

Hans‐Andreas Engel, Jacob M. Taylor+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2006

Quantum and electron transport phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、キャパシティブ結合または電子トンネル効果を介して、ゲート定義された半導体量子ドットと光学的に活性な自己組織的量子ドット（SAQDs）をコherentに結合するハイブリッド量子系を提案する。これにより、スピンキュービットの光学的制御と読み出しを可能にする。主な貢献は、コherentなスピン-光子もつれ状態と高精度なスピン転送を実現するスケーラブルなアーキテクチャであり、不正確度 <10⁻⁴およびスピン-光子もつれ誤差 ≤5%を達成する。

ABSTRACT

We describe an opto-electronic structure in which charge and spin degrees of freedom in electrical gate-defined quantum dots can be coherently coupled to light. This is achieved via electron-electron interaction or via electron tunneling into a proximal self-assembled quantum dot. We illustrate potential applications of this approach by considering several quantum control techniques, including optical read-out of gate-controlled semiconductor quantum bits and controlled generation of entangled photon-spin pairs.

研究の動機と目的

• ゲート定義された量子ドットに光学的アクセスが欠如していることによる量子制御およびスケーラビリティの制限を克服すること。
• 近接する光学的に活性な自己組織的量子ドット（SAQDs）を用いて、半導体量子ドット内のスピンキュービットの光学的読み出しと操作を可能にすること。
• 電気的制御によるゲート定義量子ドットと、SAQDsによる光学的アクセスを組み合わせたスケーラブルなアーキテクチャを構築し、量子情報処理への応用を可能にすること。
• 電子的自由度と光子的自由度の間で、コherentなスピン-光子もつれ状態を生成し、高精度なスピン転送を達成すること。

提案手法

• ガリウムヒ素/アルミニウムガリウムヒ素の逆ハイブリッドヘテロ構造を用い、2次元電子気体（2DEG）と、ガリウムヒ素層の成長中に形成された埋め込まれたインジウムヒ素自己組織的量子ドット（SAQDs）を含む。
• ゲート定義量子ドットとSAQDsの間のキャパシティブ結合を用い、ゲート定義ドット内の電荷状態に応じてSAQDの励起状態遷移周波数をシフトさせる。
• ゲート定義ドットから近接するSAQDsへの電子トンネル効果を用いて、コherentなスピン-光子結合を媒介する。
• 局所電場によって誘起されるスターリングシフトを介して、共鳴フォトンルミネッセンスまたは微分透過率を用いてスピン状態を検出する。
• 光子検出を介して2つの遠隔スピン状態をもつれ状態に生成するための条件付き光学的手法を適用し、成功確率はη²/4である。
• スピン-光子もつれ生成における誤差源として、禁制遷移、フォノンデコherence、トンネル効果、周波数不一致を分析し、総誤差が≤5%であると推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲート定義量子ドットを、近接する自己組織的量子ドットとの相互作用を介して光にコherentに結合させることは可能か？
• RQ2 キャパシティブ結合またはトンネル効果を介したゲート定義量子ドットとSAQDs間のコherentなスピン転送の正確度はいかほどか？
• RQ3 高い効率と低い不正確度で、ゲート定義量子ドット内のスピン状態の光学的読み出しは可能か？
• RQ4 このハイブリッド系において、スピン-光子もつれ状態を生成・検出する際の主な誤差チャネルは何か？
• RQ5 このアーキテクチャは、量子ドットレジスタ間の光学的インターフェースを介して、スケーラブルな量子コンピューティングおよび通信を可能にするか？

主な発見

• 典型的なパラメータ下で、ゲート定義量子ドットとSAQDs間のスピン転送の不正確度は10⁻⁴未満であり、高精度な動作を示す。
• 遠隔スピン-光子もつれ状態の生成誤差は≤5%と推定され、主に禁制遷移（≤1%）と周波数不一致（1%）に起因する。
• キャパシティブ結合により、1kV/cm²あたり約20 μeVのスターリングシフトが誘発され、電荷状態に依存する光学的検出が可能になる。
• 微分透過率またはフォトンルミネッセンスを用いた光学的読み出しにより、高速かつ頑健な測定が可能になる。
• 成功確率η²/4の条件付きで、もつれ光子-スピンペアの生成が可能であり、繰り返し試行によりスケーラブルに実現できる。
• このアーキテクチャにより、2DEG系における局所的スピンプローブが可能になり、スピンホール効果に起因するエッジでのスピン偏極の検出が可能になる。