[논문 리뷰] Coherent control of a single spin with electric fields

Katja C. Nowack, Frank H. L. Koppens외 2명|arXiv (Cornell University)|2007. 07. 20.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 국소 게이트를 사용해 진동하는 전기장을 생성함으로써 양자점 내 단일 전자의 스핀을 일관된 전기적 방법으로 제어하는 것을 보여주며, 약 55 ns 내에 π/2 스위치를 수행하는 라비 진동을 달성한다. 스핀 전이는 스핀-오비트 결합을 통해 매개되며, 이는 스핀 큐비트의 완전한 전기적 제어를 가능하게 하여 스케일러블 양자 컴퓨팅에 핵심적이다.

ABSTRACT

Manipulation of single spins is essential for spin-based quantum information processing. Electrical control instead of magnetic control is particularly appealing for this purpose, since electric fields are easy to generate locally on-chip. We experimentally realize coherent control of a single electron spin in a quantum dot using an oscillating electric field generated by a local gate. The electric field induces coherent transitions (Rabi oscillations) between spin-up and spin-down with pi/2 rotations as fast as ~55ns. Our analysis indicates that the electrically-induced spin transitions are mediated by the spin-orbit interaction. Taken together with the recently demonstrated coherent exchange of two neighboring spins, our results demonstrate the feasibility of fully electrical manipulation of spin qubits.

연구 동기 및 목표

• 스케일러블 양자 컴퓨팅을 위해 자기장 대신 전기장을 사용하여 단일 전자 스핀의 일관된 제어를 달성하기 위해.
• 국소 게이트에서 유도된 전기장이 양자점 내 스핀 상태 간에 일관된 라비 진동을 유도할 수 있음을 보여주기 위해.
• 전기적으로 구동되는 스핀 전이의 물리적 메커니즘인 스핀-오비트 상호작용을 규명하기 위해.
• 온칩 통합에 적합한 완전한 전기적 스핀 큐비트 제어의 가능성 확립하기 위해.

제안 방법

• 전기적 게이트를 사용해 반도체 양자점 내에 전자 스핀을 봉쇄한다.
• 국소 게이트를 사용해 국소적으로 분포된 진동 전기장을 생성한다.
• 스핀에 의존하는 전도를 통해 스핀 업과 스핀 다운 상태 간의 라비 진동을 측정한다.
• 전기장은 직접적인 젠젠 상호작용 대신 스핀-오비트 결합을 통해 스핀 전이를 유도한다.
• 진동 주파수와 양자 비편향 시간을 측정하여 시스템을 특성화한다.
• 스핀-오비트 결합의 이론적 모델과 실험 결과를 비교함으로써 메커니즘을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자점 내에서 자기장 없이 전기장만을 사용해 단일 전자 스핀의 일관된 제어가 가능할 수 있는가?
• RQ2 단일 스핀 시스템에서 전기적으로 유도된 라비 진동의 시간 스케일은 얼마인가?
• RQ3 이 시스템에서 전기적으로 구동되는 스핀 전이의 주요 메커니즘은 스핀-오비트 상호작용인가?
• RQ4 전기적으로 구동되는 스핀 회전의 양자 비편향 정도는 다른 실현 방식과 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• π/2 펄스에 대해 최소 약 55 ns의 회전 시간으로 스핀 업과 스핀 다운 상태 간의 일관된 라비 진동이 관측되었다.
• 전기장은 스핀의 자기모멘트에 직접 결합하는 것이 아니라 스핀-오비트 상호작용을 통해 스핀 전이를 유도한다.
• 이 시스템은 오직 국소 전기장만을 사용해 고정밀도 스핀 회전을 달성하여 온칩 통합에 적합하다.
• 결과적으로 양자점 내에서 스핀 큐비트의 완전한 전기적 제어의 가능성이 입증되었다.
• 관측된 라비 주파수는 스핀-오비트 결합에 기반한 이론적 예측과 일치한다.
• 스핀 큐비트의 비편향은 여러 개의 진동 동안 유지되어 낮은 비편향율을 나타낸다.