[論文レビュー] Coherent control of individual electron spins in a two dimensional array of quantum dots

Pierre-André Mortemousque, Emmanuel Chanrion+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、トンネル結合した量子ドットの2次元3×3配列において、個々の電子スピンを一貫して制御することに成功し、決定的電荷移動、局所的スピン読み出し、隣接するドット間でのコherentな交換操作、数マイクロメートルにわたる多方向スピンシフティングを実現した。主な結果は、運動による縮退（motional narrowing）の観察であり、電子の速度が速くなるにつれてスピンコherence時間が双曲的に増加することが示され、スケーラブルな量子シミュレーションおよび計算プラットフォームの実現に貢献した。

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.

研究の動機と目的

• 大規模な量子情報処理および量子シミュレーションに向けた重要な一歩として、2次元量子ドット配列における個々の電子スピンのスケーラブルかつコherentな制御を達成すること。
• 線形配置を越えた2次元量子ドット配列におけるスピンのチューニング、制御、読み出しという技術的課題を克服すること。
• ユニバーサルな量子ゲートに不可欠な多方向スピンシフティングおよびコherentな交換操作を実現するプラットフォームを確立すること。
• 電子の運動がスピンコherenceに与える影響、特にコherence時間を延長する運動による縮退の役割を解明すること。
• 将来の大規模統合に向けた、共有ゲートと局所的エレクトロメータを備えたスケーラブルなゲートアーキテクチャの実装を検証すること。

提案手法

• トンネル結合した量子ドットの3×3配列は、AlGaAs/GaAsヘテロ構造内の2次元電子系を用いて定義され、ドットポテンシャルおよびトンネル結合を精密に制御するための28個の独立したゲート電圧が用いられた。
• 電荷配置はTL（左上）量子ドットへの電圧パルスによって制御され、安定性ダイアグラムと4つの局所的量子ポイントコンタクト（エレクトロメータ）を用いて特定された。
• 局所的なゲート電圧の調整により、2つの電子スピン間のコherentな交換振動が観測可能なデチューニングのスイートスポットに達する領域に到達することで、隣接するドット間のトンネル結合を強化した。
• 1電子および2電子スピン状態はスイングレット状態に初期化され、電子を制御された多方向経路に沿って配列全体を移動させるための電圧パルスが適用された。
• スピンコherenceは、時間分解能のあるスイングレット確率の時間発展を測定することで評価され、ハイパーファイン相互作用を考慮したシミュレーションでは、各測定点ごとに100個のランダムに選択された核スピン場ベクトルを用いた。
• 安定性ダイアグラムのシミュレーションには、現実的な自己容量行列を用いた定常状態相互作用モデルが採用され、スピンコherenceの平均確率を計算するため、シュレーディンガー方程式が100個の核スピン場実現について数値的に統合された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トンネル結合した量子ドットの2次元配列において、線形チェーン構造を超えた個々の電子スピンをコherentに制御することは可能か？
• RQ2 電子の運動がスピンコherenceに与える影響は何か？ 2次元量子ドット配列において運動による縮退が観察可能か？
• RQ3 隣接する量子ドット内の2電子間で、局所的なトンネル結合を強化することでコherentな交換振動を実現できるか？
• RQ4 高精度なスピン読み出しを備えた2次元量子ドット配列において、数マイクロメートルにわたる決定的で多方向のスピンシフティングは実現可能か？
• RQ5 将来の大規模統合に向けた、共有ゲートと局所的エレクトロメータを備えたスケーラブルなゲートアーキテクチャは、実装可能か？

主な発見

• 著者らは、複数の方向にわたる5つの量子ドットのサブセットを対象として、1および2電子の決定的移動を実現し、数マイクロメートルにわたるコherentな運動を達成した。
• 局所的なトンネル結合の強化により、隣接する2つの量子ドット内に存在する2電子スピン間のコherentな交換振動が観測され、2キュービット操作の可能性が裏付けられた。
• 3×3配列の任意の位置で高精度な局所的スピン読み出しが達成され、構造全体にわたる状態モニタリングが可能になった。
• スピンコherence時間が電子の速度に伴い双曲的に増加する傾向が観察され、運動による縮退が確認され、運動によるダイナミックデカップリングがコherenceを向上させることを示した。
• 零磁場条件下でも、コherence長は移動速度の逆数に比例し、非零磁場時と同等のコherence時間を達成した。これは、運動中におけるデコherenceの抑制が確認されたことを示している。
• 電荷状態の完全な制御が可能であり、28個のゲート電圧により、すべての可能な電荷状態へのチューニングが可能で、中程度のトンネル結合領域でも安定した動作が実現された。