[논문 리뷰] Isotopically engineered silicon/silicon-germanium nanostructures as basic elements for a nuclear spin quantum computer

I. Shlimak, V. I. Safarov외 1명|arXiv (Cornell University)|2001. 02. 13.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 이sovolumetrically engineering된 Si/SiGe 이종구조를 핵스핀 양자컴퓨터 플랫폼으로 제안하며, 양자점 내에서 초미세 결합을 통한 핵스핀 상태의 전기적 탐지 방식을 사용한다. 이소토프 엔지니어링을 통해 핵스핀 밀도를 최소화함으로써, 장수명 디코herence 시간을 갖는 양자정보처리를 위한 양자비트의 위상 제어가 가능해진다.

ABSTRACT

The idea of quantum computation is the most promising recent developments in the high-tech domain, while experimental realization of a quantum computer poses a formidable challenge. Among the proposed models especially attractive are semiconductor based nuclear spin quantum computer's (S-NSQC), where nuclear spins are used as quantum bistable elements, ''qubits'', coupled to the electron spin and orbital dynamics. We propose here a scheme for implementation of basic elements for S-NSQC's which are realizable within achievements of the modern nanotechnology. These elements are expected to be based on a nuclear-spin-controlled isotopically engineered Si/SiGe heterojunction, because in these semiconductors one can vary the abundance of nuclear spins by engineering the isotopic composition. A specific device is suggested, which allows one to model the processes of recording, reading and information transfer on a quantum level using the technique of electrical detection of the magnetic state of nuclear spins. Improvement of this technique for a semiconductor system with a relatively small number of nuclei might be applied to the manipulation of nuclear spin ''qubits'' in the future S-NSQC.

연구 동기 및 목표

• 이소토프로 정제된 Si와 Ge를 사용하여 확장 가능한 반도체 기반의 핵스핀 양자컴퓨팅 플랫폼을 개발하는 것.
• 기존의 GaAs/AlGaAs 시스템에서의 디코herence 문제를 이소토프 엔지니어링로 핵스핀 밀도를 감소시켜 해결하는 것.
• 양자점 내 전자-핵스핀 결합을 통해 양자정보의 기록, 읽기, 전송을 위한 실현 가능한 길을 제시하는 것.
• 매우 적은 수의 핵을 포함한 시스템에서 핵스핀 분극의 전기적 탐지를 가능하게 하는 것 — 향후 양자컴퓨팅 응용에 핵심적인 요소이다.

제안 방법

• 스핀을 지닌 이소토프(29Si, 73Ge)의 천연 농도를 낮춘 이소토프 엔지니어링된 Si/SiGe 이종접합을 사용하여 핵스핀 밀도를 최소화한다.
• 고립된 핵스핀을 포함한 양자점(QD)을 형성하고 제어하기 위해 세 개의 게이트(G1, G2, G3)로 구성된 수평형 게이트 구조를 설계한다.
• 양자홀 효과 영역에서 전자스핀 공명(ESR)을 이용하여 초미세 상호작용을 통해 핵스핀을 분극화한다.
• V1V1 및 V2V2 탐지 프로브를 사용한 縦방향 자기저항 측정을 통해 오버하우저 효과를 통해 핵스핀 분극을 탐지한다.
• QD 간의 결합을 제어하기 위해 G3에 전압 조절을 가한다.
• 자기장 스윕 중 저항의 히스테리시스를 탐지하여 핵스핀 상태를 읽는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이소토프 엔지니어링된 Si/SiGe 이종구조는 감소된 디코herence를 갖는 장수명 핵스핀 큐비트를 지원할 수 있는가?
• RQ2 몇백 개의 핵만을 포함한 양자점에서 핵스핀 분극의 전기적 탐지가 가능한가?
• RQ3 양자점 간의 제어된 결합이 핵스핀 정보의 위상 유지 전달을 가능하게 하는가?
• RQ4 오버하우저 효과는 확장 가능한 나노스케일 장치 아키텍처에서 핵스핀 상태를 읽는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 이소토프 엔지니어링을 통해 거의 스핀이 없는 채널을 만들 수 있어 큐비트 상태를 고립시킬 수 있는가?

주요 결과

• 이소토프로 농축된 Si와 Ge를 사용함으로써, 각 양자점 내 핵스핀 수를 몇백 개로 줄여 스핀 전환 산란에 의한 디코herence를 최소화한다.
• ESR 유도 초미세 결합을 통해 핵스핀 분극을 기록할 수 있으며, 전자스핀 전이가 핵스핀으로 분극을 전달한다.
• 핵스핀 상태는 저항의 히스테리시스 측정을 통해 읽을 수 있으며, 왼쪽 QD에서는 γ = 1, 오른쪽 QD에서는 γ = 0인 분극 차이를 입증한다.
• QD 간의 장벽을 제거함으로써 전자 매개 핵스핀 비탄성 붕괴가 시간이 지남에 따라 분극을 균일화함으로써 QD 간 정보 전달이 가능해진다.
• 오버하우저 효과는 매우 적은 수의 핵을 포함한 메조스코픽 시스템에서도 핵스핀 상태의 전기적 탐지를 가능하게 한다.
• 현재의 AFM 보조 리소그래피 및 이소토프로 농축된 재료를 사용하여 제안된 장치는 실험적으로 실현 가능하며, 제작 과정에서의 정렬이 주요 과제이다.