[논문 리뷰] A single-atom quantum memory in silicon

Solomon Freer, Stephanie Simmons외 11명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 25.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 31P 기여자에서 전자 스핀과 핵 스핀을 큐비트로 사용하여, 동위원소로 풍부하게 조성된 28Si에서 단일 원자 양자 메모리를 구현한다. 양자 정보는 전자-핵 공명 펄스를 통해 빠른 전자 스핀에서 장수명 핵 스핀으로 전송되며, 이로 인해 81%의 프로세스 편의도를 달성하고, 다이내믹 디커플링을 사용하여 최대 80ms의 메모리 저장 시간을 확보한다. 이는 펄스 유도 전자 스핀 공명 주파수 이동으로 인해 제한된다.

ABSTRACT

Long coherence times and fast gate operations are desirable but often conflicting requirements for physical qubits. This conflict can be resolved by resorting to fast qubits for operations, and by storing their state in a `quantum memory' while idle. The $^{31}$P donor in silicon comes naturally equipped with a fast qubit (the electron spin) and a long-lived qubit (the $^{31}$P nuclear spin), coexisting in a bound state at cryogenic temperatures. Here, we demonstrate storage and retrieval of quantum information from a single donor electron spin to its host phosphorus nucleus in isotopically-enriched $^{28}$Si. The fidelity of the memory process is characterised via both state and process tomography. We report an overall process fidelity of $F_p =$81${\pm}$7%, a memory fidelity ($F_m$) of over 90%, and memory storage times up to 80 ms. These values are limited by a transient shift of the electron spin resonance frequency following high-power radiofrequency pulses.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 내 기여자에서 단일 원자 수준의 양자 메모리를 실현하기 위해 31P의 전자 스핀과 핵 스핑을 큐비트로 활용한다.
• 전자의 스핀에서 핵 스핀으로의 양자 정보의 고성능 저장 및 복원을 달성한다.
• 다이내믹 디커플링(DD) 펄스를 적용하여 고유의 핵 스핀 공명 시간을 초월한 메모리 공명 시간 연장.
• 메모리 편의도와 저장 시간을 제한하는 주요 공명 붕괴 메커니즘을 규명하고 특성화한다.
• 실리콘 기반 양자 컴퓨팅 아키텍처에서 확장 가능하고 고성능의 양자 정보 처리를 가능하게 한다.

제안 방법

• 자기적 공명 붕괴를 최소화하기 위해 동위원소로 풍부하게 조성된 28Si 에피층에 단일 31P 기여자를 도핑한다.
• 단일 전자 트anz이터(SET)를 사용하여 전자 스핀 상태의 단일 샷 읽기 수행.
• 광대역 안테나를 통해 마이크로파 및 고주파(RF) 펄스를 적용하여 전자 스핀과 핵 스핀을 공명적으로 제어한다.
• 전자-핵 공명(ENDOR) 펄스를 통해 전자 스핀의 양자 공명을 핵 스핀으로 전송하여 저장한다.
• 저장 중에 핵 스핀에 다이내믹 디커플링(DD) 펄스, 특히 CPMG 시퀀스를 적용하여 공명 시간을 연장한다.
• 임의의 기저에서 편의도를 측정하기 위해 라마지 간섭측정법과 보조 마이크로파 펄스를 사용하여 상태 및 프로세스 토모그래피를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 내 단일 전자 스핀에서 그 주변 31P 핵 스핀으로 고성능으로 양자 정보를 공명적으로 전송할 수 있는가?
• RQ2 실리콘 내 단일 원자 양자 메모리에서 달성 가능한 최대 저장 시간은 얼마인가?
• RQ3 이 시스템에서 프로세스 및 메모리 편의도를 제한하는 주요 공명 붕괴 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 다이내믹 디커플링은 핵 스핀 메모리의 공명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 펄스 유도 주파수 이동을 완화함으로써 메모리 편의도를 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 양자 메모리 프로토콜의 총 프로세스 편의도는 81% ± 7%에 도달하여 고전적 한계인 2/3를 크게 초월한다.
• 메모리 편의도는 92%로 측정되어 고성능 상태 전송 및 저장을 시사한다.
• 256개의 CPMG 펄스를 사용하여 최대 80ms의 메모리 저장 시간을 확보하였으며, 이는 핵 스핀 공명 시간과 일치한다.
• 메모리 공명 시간은 CPMG 펄스 수 N의 0.36제곱에 비례하여 증가하며, 핵 스핀 CPMG 시간에 가까워진다.
• 고출력 RF 펄스 이후 전자 스핀 공명 주파수의 일시적 이동이 편의도 및 공명 붕괴의 주요 원인으로 규명되었다.
• 핵 스핀 공명 시간은 이전 실험 대비 현著히 길어졌으며, 핵 스핀에 대한 미측정의 펄스 유도 이동이 기여할 수 있음을 시사한다.