[논문 리뷰] Coherent control and spectroscopy of a semiconductor quantum dot Wigner molecule

J. Corrigan, J. P. Dodson외 13명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 28.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 50인용 수 43

한 줄 요약

이 연구는 강한 전자-전자 상호작용이 발생하는 위그너 분자 상태에서 작동하는 실리콘 双양자점에서 8개의 다른 전자 공진을 일관성 있게 제어함을 보여준다. 이 상태에서는 다체 상태의 밀도가 매우 높은 상태가 발생한다. 큐비트 읽기 및 라머 스펙트로스코피를 통해 저자들은 이러한 상태들이 위그너-분자 물리학에 기인함을 규명하였으며, 전체 구성 상호작용 계산을 통해 단일 입자 에너지 척도보다 훨씬 낮은 곳에 강하게 상호작용하는 국소화된 전자 상태가 존재하는 것으로 확인하였다.

ABSTRACT

Multi-electron semiconductor quantum dots have found wide application in qubits, where they enable readout and enhance polarizability. However, coherent control in such dots has typically been restricted to only the lowest two levels, and such control in the strongly interacting regime has not been realized. Here we report quantum control of eight different resonances in a silicon-based quantum dot. We use qubit readout to perform spectroscopy, revealing a dense set of energy levels with characteristic spacing far smaller than the single-particle energy. By comparing with full configuration interaction calculations, we argue that the dense set of levels arises from Wigner-molecule physics.

연구 동기 및 목표

• 다중 전자 반도체 양자점에서 가장 낮은 두 상태를 초월해 다수의 전자 상태에 대해 일관성 있는 제어를 달성하기 위해.
• 강한 상관관계가 존재하는 위그너-분자 상태에서의 이중 양자점의 전자 구조를 탐구하기 위해.
• 단일 입자 구속 에너지보다 훨씬 작은 간격을 가지는 에너지 수준의 밀도 있는 집합의 기원을 규명하기 위해.
• 전체 구성 상호작용(Full Configuration Interaction, FCI) 계산과의 비교를 통해 위그너-분자 물리학의 존재를 검증하기 위해.
• 저온 환경에서 주파수 의존성 감쇠가 발생하는 상황에서 정확한 스펙트로스코피를 위해 펄스 보정 기법을 개발하고 적용하기 위해.

제안 방법

• 펄스형 마이크로파 라비 및 라머 스펙트로스코피를 사용하여 실리콘 기반 이중 양자점 내 다체 상태 간의 전이를 일관성 있게 자극한다.
• 좌측 리저보아의 양자점과의 전하 감지에 의한 큐비트 읽기로 상태 분포를 락킹 측정할 수 있다.
• 게이트 전압(δVP2)에 따라 변하는 디테닝에 따른 라비 및 라머 진동을 측정함으로써 (3,2) 전하 구성에서 에너지 수준을 매핑한다.
• 시간 영역에서의 라비 동역학 시뮬레이션을 사용하여 디테닝에 따른 진동의 진화를 모델링한다.
• 5레벨 효과적 해밀토니안 모델(Eq. S3)을 구성하여 좌측 양자점 기저 상태와 우측 양자점의 5개의 자극 상태 간의 결합을 기술한다.
• S21 측정 및 역 FFT를 사용하여 냉각기 내 주파수 의존성 감쇠를 보상하기 위해 펄스 보정 기법을 적용한다.
• 라머 데이터의 후처리에는 분산 최소점들을 정렬하고 정확한 디테닝 캘리브레이션을 가능하게 하기 위해 지수 감쇠 함수(A(1 + be−t/τ))를 사용한 피팅이 포함된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 전자 양자점에서 가장 낮은 두 상태를 초월해 일관성 있는 제어를 확장할 수 있는가?
• RQ2 스펙트로스코피에서 관측된 밀도 있는 에너지 수준 집합의 기원은 무엇인가? 이 수준 간격은 단일 입자 구속 에너지보다 훨씬 작다.
• RQ3 이러한 수준들은 강한 전자-전자 상호작용으로 인해 발생하는 위그너-분자 물리학에 기인하는가?
• RQ4 간단한 효과적 해밀토니안 모델이 관측된 스펙트로스코픽 특징을 정확하게 기술할 수 있는가?
• RQ5 펄스 왜곡과 주파수 의존성 감쇠는 일관성 있는 제어에 어떤 영향을 미치며, 이를 어떻게 보정할 수 있는가?

주요 결과

• 3.3에서 8.3 GHz 사이의 8개의 별개의 공진이 일관성 있게 제어되었으며, 이는 다체 상태의 밀도 있는 집합을 시사한다.
• 수준 간격이 단일 입자 구속 에너지보다 훨씬 작다는 점은 강한 상관 효과를 나타낸다.
• 전체 구성 상호작용(FCI) 계산을 통해 관측된 수준 구조가 국소화되고 상호작용하는 전자 상태를 포함하는 위그너-분자 물리학에 기인함을 확인하였다.
• 실험 데이터는 좌측 양자점 기저 상태와 우측 양자점의 5개의 상호작용된 자극 상태를 연결하는 5레벨 효과적 해밀토니안 모델(Eq. S3)에 잘 맞는다.
• 모델의 매개변수인 에너지 En과 터널 결합 ∆n은 라머 스펙트로스코피와 라비 측정을 통해 제약을 받으며, E5와 ∆5는 고디테닝 라머 데이터로부터, E15는 저디테닝 데이터로부터 결정된다.
• 시뮬레이션 결과, 초기화 펄스 중 첫 번째 자극 상태의 비율(ρ1 ≈ 8.3%)이 유의미하게 존재함을 보여주었으며, 이는 실험 관측과 일치한다.