[論文レビュー] Semiconductor quantum ring as a solid-state spin qubit

E. Zipper, Marcin Kurpas+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2010

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 1被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、単一または少数電子系における最も占有された軌道のゼーマン準位を用いて、半導体量子リングを固体状態スピンキュービットとして提案する。キュービットは電気的または光学的制御により初期化・操作・読み出し可能であり、薄いリング（r₀ ≤ 10 nm）では緩和時間が1秒を超えるため、スピン反転機構の抑制と可変な閉じ込めによって、スケーラブルな量子情報処理に適している。

ABSTRACT

The implementation of a spin qubit in a quantum ring occupied by one or a few electrons is proposed. Quantum bit involves the Zeeman sublevels of the highest occupied orbital. Such a qubit can be initialized, addressed, manipulated, read out and coherently coupled to other quantum rings. An extensive discussion of relaxation and decoherence is presented. By analogy with quantum dots, the spin relaxation times due to spin-orbit interaction for experimentally accessible quantum ring architectures are calculated. The conditions are formulated under which qubits build on quantum rings can have long relaxation times of the order of seconds. Rapidly improving nanofabrication technology have made such ring devices experimentally feasible and thus promising for quantum state engineering.

研究の動機と目的

• 半導体量子リングが長寿命コherenスピンキュービットとして安定に機能できることを示すこと。
• ゼーマン準位を用いた量子リングにおけるスピンキュービットの初期化・操作・読み出しの可能性を分析すること。
• 特にスピン軌道結合に起因する緩和およびデコherenceメカニズムを評価すること。
• 量子リングと量子ドットにおける緩和時間の比較を行い、優れた性能を示す条件を特定すること。
• 現在および将来のナノフォトニクス技術を用いた量子リングキュービットの実験的実現可能性を評価すること。

提案手法

• スピン軌道結合および磁場効果をモデル化するため、電子有効質量、ベクトルポテンシャル、ゼーマン結合を含む2次元リングハミルトニアンを用いる。
• 軸方向磁場下における有限厚さの量子リングのエネルギー準位および波動関数を数値的に解く。
• 主にリング幾何学におけるスピン反転過程に注目し、スピン軌道相互作用メカニズムを用いて緩和時間を推定する。
• 最高占有軌道（l）に1電子が存在すると仮定し、2準位系を分離するために ΔZ ≪ Δl の条件を適用する。
• 電界で定義された量子リングと自己組織的形成量子リングの両方を考慮し、最近のInGaAsおよびGaAsリング実験と一致するパラメータセットを用いる。
• リング半径 <12 nmおよびゲートで定義された量子リング構造を含む、現実的なナノフォトニクス製造制約を用いて実現可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一または少数電子の量子リングは、ゼーマン分裂下で安定な2準位スピンキュービット系を形成できるか？
• RQ2 量子リングにおける主な緩和メカニズムは何か？ 1秒を超える緩和時間を達成できるか？
• RQ3 同様の条件下で、量子リングにおける緩和時間は量子ドットと比べてどうなるか？
• RQ4 量子リングで長寿命コherenスピンを実現するには、どのナノスケール寸法と材料パラメータが必要か？
• RQ5 現在または将来のナノフォトニクス技術により、10 nm未満の半径で十分な品質を持つ量子リングを実現できるか？

主な発見

• 半径 ≤10 nm の量子リングでは、1電子占有時でも電子スピンの緩和時間が1秒を超えることが可能である。
• 厚さが薄いリングで電子占有数が高くなる（|l| > 0）場合、軌道対称性の向上とスピン軌道結合の低減により、量子ドットよりも緩和時間が長くなる。
• 最高占有軌道のゼーマン準位は、kBT ≪ ΔZ ≪ Δl の条件下で良好に分離された2準位系を形成し、キュービット条件を満たす。
• 緩和時間はリング半径および電子閉じ込めに強く依存しており、サブ10 nmリングではスピン反転過程の抑制が顕著に現れる。
• 半径 <12 nm の静電的定義量子リングは、既存のナノフォトニクス技術（ナノワイヤ内のゲートで定義されたヘテロ構造を含む）と実験的に整合可能である。
• ナノワイヤベースの軸方向ヘテロ構造とゲートで定義されたポテンシャルの組み合わせは、キュービット用途に適した超薄型・高品質量子リング実現への有望な道筋を示している。