[論文レビュー] Spin Manipulation of Free 2-Dimensional Electrons in Si/SiGe Quantum Wells

Alexei M. Tyryshkin, S. A. Lyon+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2003

Quantum and electron transport phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、パulsed電子スピン共鳴装置を用い、共振マイクロ波パルスと磁場を用いて、Si/SiGe量子井戸内の自由な2次元電子で一貫したスピン操作を実証した。主な結果として、スピンコher-エンス時間は約3マイクロ秒に達し、デコherenceが生じる前に少なくとも100回の量子操作が可能である。これは、実用的なシステム設計制約を考慮した半導体ベースのスピン量子コンピューティングへの重要な一歩を示している。

ABSTRACT

An important requirement for a physical embodiment of a quantum computer is that arbitrary single-qubit operations can be performed. In the case of spin-qubits, this means that arbitrary spin rotations must be possible. Here we demonstrate spin rotations of an ensemble of free 2-dimensional electrons confined to a silicon quantum well embedded in a silicon-germanium alloy host. The spins are manipulated by resonant microwave pulses and an applied magnetic field in a pulsed electron paramagnetic resonance spectrometer. From the pulsed measurements we deduce a spin coherence time in this system of about 3 microsec, allowing at least 100 elementary operations before decoherence destroys the spin state. These measurements represent an important step towards the realization of quantum computation using electron spins in semiconductors, but at the same time establish some constraints on the design of such a system.

研究の動機と目的

• Si/SiGe量子井戸内の2次元電子ガスにおけるスピンのコherent制御を、量子コンピューティングへの応用を目的として達成すること。
• Siベースのヘテロ構造における自由な2次元電子を、頑健なキュービットとして使用する可能性を評価すること。
• デコherenceが生じるまでのスピンコher-エンス時間の測定と、可能な量子操作の回数の評価。
• 実験的制限に基づき、スケーラブルなスピンキュービットアーキテクチャの設計制約を同定すること。

提案手法

• 共鳴マイクロ波パルスと静磁場を印加するため、パルス型電子スピン共鳴（EPR）分光計を用いた。
• SiGe合金マトリックスに埋め込まれたシリコン量子井戸で、自由な2次元電子を閉じ込めた。
• マイクロ波パルスを用いてラビ振動を誘発し、制御されたスピン回転を実現した。
• 時間分解EPR技術を用いて、スピンの緩和および位相崩壊時間の測定を行った。
• ラビ振動の観察と減衰包絡線のフィッティングにより、系のコher-エンスを分析した。
• 時間領域におけるコherentスピン振動の減衰から、スピンコher-エンス時間（T2）を決定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共振マイクロ波パルスを用いて、Si/SiGe量子井戸内の電子スピンに対して任意の1キュービット操作を実行できるか？
• RQ2 この系におけるスピンコher-エンス時間（T2）はどの程度で、デコherenceが生じる前に何回の量子操作が可能か？
• RQ3 Si/SiGeヘテロ構造におけるスピン制御を制限する主なデコherenceメカニズムは何か？
• RQ4 スピンコher-エンス時間は理論的限界や他の半導体スピン系と比較してどうか？
• RQ5 この系が、スケーラブルなスピンベースの量子コンピュータの設計に課す実用的制約は何か？

主な発見

• Si/SiGe量子井戸内の自由な2次元電子のスピンコher-エンス時間（T2）は、約3マイクロ秒に測定された。
• このコher-エンス時間は、デコherenceがキュービット状態を破壊する前に少なくとも100回の基本的量子操作を可能にする。
• ラビ振動が観測され、共鳴マイクロ波パルスを用いたコherentスピン回転が可能であることが確認された。
• この系は、量子計算に必要な任意の1キュービット操作を実装するのに十分なコher-エンスを示している。
• 結果から、Si/SiGeヘテロ構造はスピンキュービットとして実用的である可能性を示しているが、デコherenceメカニズムがアーキテクチャ設計に制約をもたらす。
• 測定されたT2は、スピン位相崩壊によって制限されており、さらなる材料最適化によってコher-エンス時間を延長する必要があることが示唆された。