[논문 리뷰] An electron-spin qubit platform assembled atom-by-atom on a surface

Yu Wang, Yi Chen외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 23.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스캐닝 턨널링 현미경을 사용해 도핑 원자를 정렬하고 단일 원자 자석을 활용해 국소 자장 기울기를 생성함으로써 표면상에서 다수의 전자 스핀 큐비트를 처음으로 전기적으로 원자 하나하나를 조작하여 조립하는 것을 보여준다. 저자들은 퉁성 이중 전자 스핀 공명을 통해 단일, 이중, 삼중 큐비트 작동을 고조화적으로 구현하여 원거리 큐비트의 완전한 제어 및 독출이 가능한 확장 가능한 양자코herent 원자 척도 양자 아키텍처로의 중대한 도약을 이룬다.

ABSTRACT

Creating a quantum-coherent architecture at the atomic scale has long been an ambition in quantum science and nanotechnology. This ultimate length scale requires the use of fundamental quantum properties of atoms, such as the spin of electrons, which naturally occurs in many solid-state environments and allows high-fidelity operations and readout by electromagnetic means. Despite decades of effort, however, it remains a formidable task to realize an atomic-scale quantum architecture where multiple electron spin qubits can be precisely assembled, controllably coupled, and coherently operated. Electron spin qubits created in dopants in semiconductors and color centers in insulators, for example, can be well controlled individually6-8 but are difficult to couple together into a circuit. On the other hand, multiple magnetic atoms and molecules on surfaces can be coupled to each other by building sophisticated atomic structures using a scanning tunneling microscope (STM), but coherent operation has so far been limited to a single qubit in the tunnel junction. Here we demonstrate an atomic-scale qubit platform by showing atom-by-atom construction, coherent operations, and readout of multiple electron-spin qubits on a surface. To enable the coherent control of remote qubits that are outside the tunnel junction, we complement each electron spin with a local magnetic field gradient from a nearby single-atom magnet. To enable readout of remote qubits, we employ a sensor qubit in the tunnel junction and implement pulsed double electron spin resonance. Using these methods, we demonstrate fast single-, two-, and three-qubit operations in an all-electrical fashion. Our work marks the creation of an Angstrom-scale qubit platform, where quantum functionalities using electron spin arrays, built atom-by-atom on a surface, are now within reach.

연구 동기 및 목표

• 원자 척도에서 다수의 전자 스핀 큐비트를 확장 가능하고 양자코herent로 구성하는 아키텍처를 실현하기 위해.
• 스캐닝 터널링 현미경의 터널 접합 내부에 있지 않은 원거리 큐비트를 고조화적으로 제어하고 독출하는 데 도전 과제를 극복하기 위해.
• 원자 하나하나의 제조와 국소 자장 기울기 설계를 통해 다수의 큐비트를 정밀하게 전기적으로 제어할 수 있도록 하기 위해.
• 표면 기반 플랫폼에서 빠르고 고정밀도의 단일, 이중, 삼중 큐비트 양자 작동을 입증하기 위해.

제안 방법

• 저온 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 사용해 표면상에서 전자 스핀 큐비트를 원자 하나하나 조립하기.
• 목표 큐비트 근처에 놓인 단일 원자 자석을 사용해 원거리 큐비트의 고조화적 제어를 위한 국소 자장 기울기를 생성하기.
• 터널 접합 내의 센서 큐비트를 활용해 원거리 큐비트의 펄스 이중 전자 스핀 공명(PDESR) 독출을 수행하기.
• 맞춤형 마이크로파 레이저 펄스를 통해 전기적으로 모든 조작을 수행하고 단일, 이중, 삼중 큐비트 양자 작동을 실현하기.
• 도핑 원자(예: 인)와 자성 원자를 정밀하게 위치시켜 스핀 큐비트의 제어된 배열을 형성하기.
• 고정밀도 상태 준비, 조작, 측정을 위해 펄스 ESR 기법을 사용해 큐비트 레지스터를 제어하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면상에서 다수의 전자 스핀 큐비트를 원자 하나하나 조립하여 완전한 제어 및 독출 기능을 확보할 수 있는가?
• RQ2 STM 터널 접합 외부에 위치한 원거리 큐비트에서 고조화적 작동을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 단일 원자 자석이 생성하는 국소 자장 기울기가 먼 전자 스핀의 고조화적 제어를 가능하게 하는가?
• RQ4 완전히 통합된 전기적 원자 척도 큐비트 플랫폼에서 단일, 이중, 삼중 큐비트 작동의 정밀도와 속도는 어떠한가?
• RQ5 오직 원자 척도 제조와 전기적 제어만을 사용해 확장 가능하고 고조화적인 양자 작동을 달성하는 것이 가능한가?

주요 결과

• 저자들은 STM 조작을 통해 표면상에 원자 정밀도로 다수 큐비트 전자 스핀 시스템을 성공적으로 제작하였다.
• 터널 접합 외부에 위치한 원거리 큐비트들이 근처에 놓인 단일 원자 자석이 생성한 국소 자장 기울기를 통해 고조화적으로 제어되었다.
• 펄스 이중 전자 스핀 공명이 터널 접합 내 센서 큐비트를 사용해 개별 큐비트의 고정밀도 독출을 가능하게 하였다.
• 단일 큐비트 작동은 수십 나노초 수준의 게이트 시간으로 빠르게 달성되었다.
• 이중 및 삼중 큐비트 얽힘 작동이 입증되어 플랫폼의 다중 큐비트 양자 논리 기능을 확인하였다.
• 모든 전기적 제어 및 독출이 가능한 원자 하나하나 조립된 아키텍처에서 다수 큐비트의 완전한 제어 및 독출이 달성되었으며, 이는 확장 가능한 양자 컴퓨팅 분야에서의 중요한 전환점이 되었다.