[논문 리뷰] Coherent control of individual electron spins in a two dimensional array of quantum dots

Pierre-André Mortemousque, Emmanuel Chanrion외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 19.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 터널 결합된 양자점의 3×3 2차원 배열에서 개별 전자 스핀의 일관된 제어를 구현하여, 결정론적 전하 이동, 국소적 스핀 읽기, 인접한 점 사이의 공진합 스핀 조작, 몇 미크론에 걸쳐 다방향 스핀 이동을 달성한다. 핵심 결과는 운동 난이도 현상의 관측으로, 전자의 속도가 증가함에 따라 스핀 공명 시간이 hyperbolic하게 증가하며, 확장 가능한 양자 시뮬레이션 및 계산 플랫폼을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The ability to manipulate coherently individual quantum objects organized in arrays is a prerequisite to any scalable quantum information platform. For electron spin qubits, it requires the fine tuning of large arrays of tunnel-coupled quantum dots. The cumulated efforts in linear dot arrays have permitted the recent realization of quantum simulators and multi-electron spin coherent manipulation. However, the two-dimensional scaling of such implementations remains undemonstrated while being compulsory to resolve complex quantum matter problems or process quantum information. Here, we demonstrate the two-dimensional coherent control of individual electron spins in a 3x3 array of tunnel-coupled quantum dots. More specifically, we focus on several key quantum functionalities of such control: charge deterministic displacement, local spin readout, local coherent exchange manipulation between two electron spins trapped in adjacent dots, and coherent multi-directional spin shuttling over distances of several microns. This work lays the foundations for exploiting a two-dimensional array of electron spins for quantum simulation and information processing.

연구 동기 및 목표

• 대규모 양자 정보 처리 및 시뮬레이션을 향한 핵심 단계인, 2차원 양자점 배열에서 개별 전자 스핀의 확장 가능한 일관된 제어를 달성하기 위해.
• 선형 구조를 초월한 2차원 양자점 배열에서 전자 스핀의 튜닝, 제어 및 읽기와 같은 기술적 과제를 극복하기 위해.
• 보편적인 양자 게이트에 필수적인 다방향 스핀 이동 및 일관된 교환 작동을 위한 플랫폼을 구축하기 위해.
• 전자 운동이 스핀 공명에 미치는 영향, 특히 공명 시간 연장에 기여하는 운동 난이도의 역할을 조사하기 위해.
• 미래의 대규모 통합을 위해 공유 게이트와 국소적 전자계수를 갖춘 확장 가능한 게이트 아키텍처를 검증하기 위해.

제안 방법

• 28개의 독립적으로 조절 가능한 게이트 전압을 사용하여, AlGaAs/GaAs 이종구조의 2차원 전자 기체를 이용해 터널 결합된 양자점의 3×3 배열을 정의하며, 점의 잠재 에너지와 터널 결합을 정밀하게 제어한다.
• 전하의 적재 및 고립은 상단 왼쪽(TL) 양자점의 전압 펄스를 통해 이루어지며, 안정성 다이어그램과 네 개의 국소적 양자점 접촉을 전자계수로 사용하여 전하 구성 상태를 식별한다.
• 국소적 게이트 전압 조절을 통해 두 전자 스핀 간의 공진합 진동이 관측 가능한 잠금점에서의 터널 결합 강도를 증가시켜, 인접한 점들 사이의 국소적 터널 결합 강도를 향상시킨다.
• 1전자 및 2전자 스핀 상태는 스핀-쌍 상태로 초기화되며, 전자들이 제어된 다방향 경로를 따라 배열 전역에서 이동하도록 전압 펄스를 적용하여 일관된 이동을 수행한다.
• 시간에 따라 변화하는 스핀-쌍 확률의 진화를 측정하여 스핀 공명을 측정하며, 각 점에서 100개의 무작위 선택된 핵자기장 벡터를 사용해 초합력 상호작용을 시뮬레이션한다.
• 실제 용량 행렬을 사용한 상수 상호작용 모델을 사용하여 안정성 다이어그램을 시뮬레이션하고, 스핀-쌍 확률의 평균을 계산하기 위해 100개의 핵자기장 실현을 기반으로 슈뢰딩거 방정식을 수치적으로 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 터널 결합된 양자점의 2차원 배열에서 선형 체인 구조를 초월해 개별 전자 스핀을 일관되게 제어할 수 있는가?
• RQ2 전자 운동이 스핀 공명에 미치는 영향은 무엇이며, 2차원 양자점 배열에서 운동 난이도 현상을 관측할 수 있는가?
• RQ3 국소적 터널 결합 강도를 증가시켜 인접한 양자점에 있는 두 전자 간의 공진합 진동을 유도할 수 있는가?
• RQ4 고정밀도 스핀 읽기와 함께 몇 미크론에 걸쳐 결정론적 다방향 스핀 이동이 2차원 양자점 배열에서 가능할 수 있는가?
• RQ5 공유 게이트와 국소적 전자계수를 갖춘 확장 가능한 게이트 아키텍처를 구현하여 향후 대규모 전자 스핀 제어를 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 다섯 개의 양자점 부분에서 여러 방향으로 하나 또는 두 개의 전자를 결정론적으로 이동시키며, 몇 미크론에 걸쳐 일관된 운동을 달성한다.
• 터널 결합 강도를 국소적으로 증가시킨 결과, 인접한 점에 있는 두 전자 스핀 간의 공진합 진동이 관측되어 이중 큐비트 연산의 가능성 확인.
• 3×3 배열의 어느 위치에서든 고정밀도로 국소적 스핀 읽기를 달성하여 전체 구조의 상태 모니터링 가능.
• 전자 속도가 증가함에 따라 스핀 공명 시간이 hyperbolic하게 증가하며, 운동 난이도 현상을 입증하고 운동에 의한 동적 분리가 공명을 향상시킴을 확인.
• 영자기장 조건에서 공명 길이가 이동 속도의 역수로 증가하며, 비영자기장 조건에서 관측된 값과 유사한 공명 시간을 도달하여 운동 중 분해조직이 억제됨을 나타냄.
• 전하 구성 상태에 대한 완전한 제어를 지원하며, 28개의 게이트 전압을 통해 모든 가능한 전하 상태로 조절 가능하고 중간 수준의 터널 결합 영역에서 안정된 작동 가능.