[論文レビュー] Using a two-electron spin qubit to detect electrons flying above the Fermi sea

Romain Thalineau, Andreas D. Wieck+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2014

Quantum and electron transport phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、二電子スピンキュービットが二重量子ドットに配置された場合、量子ホールエッジチャネルを移動する飛行電子の超感度で高速な電荷検出器として機能することを示している。容量結合を通じて、近傍を通過する1つの電子がスピンsinglet-triplet振動周波数に測定可能な変化を引き起こし、1ショット検出を可能にし、1ナノ秒未塔の時間分解能と数電子の電荷ゆらぎに感度を示す。

ABSTRACT

We investigate experimentally the capacitive coupling between a two-electron spin qubit and flying electrons propagating in quantum Hall edge channels. We demonstrate that the qubit is an ultrasensitive and fast charge detector with the potential to allow single shot detection of a single flying electron. This work opens the route towards quantum electron optics at the single electron level above the Fermi sea.

研究の動機と目的

• 量子ホールエッジ状態における飛行電子のための高速かつ超感度な電荷検出器を開発すること。
• 超高速で短時間相互作用が発生する状況における単一電子検出の課題を克服すること。
• S-T₀スピンキュービットが容量結合を通じて個々の電子を検出可能であることを実証すること。
• スピンから電荷への変換とチューナブルなキュービット感度を用いて、進行中の電子の1ショット検出を達成すること。
• 単一電子検出を遮蔽する要因となるエッジ磁気プラズモン（EMP）のような誤検出信号を特定・低減すること。

提案手法

• 2つの電子を有する二重量子ドットにおいてS-T₀スピンキュービットを形成し、電気的デチューニングεを介してキュービット状態を制御する。
• キュービットのコherentな振動周波数J(ε)を測定して電荷感度をキャリブレーションし、J(ε) = J₀ + J₁ exp(−ε/b) と表す。
• 飛行電子は量子ポイントコンタクト（QPC）または高速でチューナブルな量子ドットを介してエッジチャネルに注入される。
• 電子放出と同期した検出パルスをキュービットに印加し、スピンから電荷への変換により、スイングレット確率ΔPₛの変化を測定する。
• 磁場0.73 Tで実験を実施し、フィリング因子ν ∼ 16を達成。エッジチャネルはマルチゲート構造に沿って伝搬する。
• 検出器応答を遅延、パルス立ち上がり時間、振幅の関数として解析し、単一電子信号とエッジ磁気プラズモン（EMP）励起状態を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二電子スピンキュービットは、量子ホールエッジチャネルを移動する飛行電子を1ショット検出器として機能できるか？
• RQ2 キュービットの電荷ゆらぎへの感度は、デチューニングεにどのように依存するか？
• RQ3 EMP励起状態が存在する状況下で、キュービット検出器が解像可能な最小電子数はいくつか？
• RQ4 発生源がクーロン遮断領域内でパルス駆動されている場合、キュービットは個々の電子放出を検出可能か？
• RQ5 エッジ磁気プラズモン（EMP）からの誤検出信号をどのように低減すれば、真の単一電子信号を分離できるか？

主な発見

• 最適デチューニングε_d = −0.10 meVにおけるS-T₀キュービットは、1電子あたり約100 nVの電荷感度を示し、高精度な検出が可能である。
• キュービットはスイングレット確率ΔPₛの変化を1ナノ秒未塔の時間分解能で検出でき、1ショット検出能力と整合的である。
• 量子ドットからのパルス放出は、検出器応答に2つの明確なピークを生じさせる：1つは立ち上がりエッジに対応し、もう1つは立ち下がりエッジに対応する。それぞれが電子の存在または不在を示す。
• 1電子に対する観測信号の振幅はΔPₛ ∼ 0.01程度であり、信号対雑音比はEMP励起状態に制限されている。
• 検出器応答はパルス立ち上がり時間および振幅に敏感であり、パルス持続時間や立ち上がり時間が短くなるとピーク振幅が低下するため、個々の電子イベントの解像が可能であることが示された。
• エッジ磁気プラズモン（EMP）の存在により、5〜10個の電子に相当する信号が観測され、これが応答を支配し、真の単一電子信号を隠蔽する。これに対応するため、ゲートジオメトリと検出プロトコルの改善が不可欠である。