[논문 리뷰] Coupling and coherent electrical control of two dopants in a silicon nanowire

Eva Dupont-Ferrier, B. Roche외 6명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 08.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 마이크로파 구동 Landau-Zener-Stuckelberg 간섭계를 사용하여 실리콘 나노와이어 트anz이터 내에서 두 개의 안소르 도핑 원자에 대한 일관된 전기적 제어를 구현한다. 게이트 전압을 조절하여 이중 수준 전하 시스템을 고립시켜, 최대 10개의 마이크로파 광자를 흡수하거나 방출한 양자 간섭 무늬를 관측하였으며, 전하 위상 분리 시간을 0.3 ns로 측정하여 실리콘 양자계산에서 빠르고 일관된 도핑 기반 큐비트를 위한 길을 열었다.

ABSTRACT

Electric control of individual atoms or molecules in a solid-state system offers a promising way to bring quantum mechanical functionalities into electronics. This idea has recently come into the reach of the established domain of silicon technology, leading to the realization of single-atom transistors and to the first measurements of electron spin dynamics in single donors. Here we show that we can electrically couple two donors embedded in a multi-gate silicon transistor, and induce coherent oscillations in their charge states by means of microwave signals. We measure single-electron tunneling across the two donors, which reveals their energy spectrum. The lowest energy states, corresponding to a single electron located on either of the two donors, form a two-level system (TLS) well separated from all other electronic levels. Gigahertz driving of this TLS results in a quantum interference pattern associated with the absorption or the stimulated emission of up to ten microwave photons. We estimate a charge dephasing time of 0.3 nanoseconds, consistent with other types of charge quantum bits. Here, however, the relatively short coherence time can be counterbalanced by fast operation signals (in principle up to 1 terahertz) as allowed by the large empty energy window separating ground and excited states in donor atoms. The demonstrated coherent coupling of two donors constitutes an essential step towards donor-based quantum computing devices in silicon.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 나노와이어 트anz이터 내에서 개별 도핑 원자(As) 두 개 사이의 일관된 전기적 결합을 달성하기 위해.
• 마이크로파 자극을 사용하여 이중 도핑 원자 시스템의 전하 상태에 대한 일관된 제어를 구현하기 위해.
• Landau-Zener-Stuckelberg 간섭계를 통해 도핑 기반 이중 수준 시스템에서의 양자 일관성을 탐구하기 위해.
• 전하 위상 분리 시간을 측정하고, 고체 상태 도핑 큐비트 시스템에서의 일관성 한계를 평가하기 위해.
• 도핑 기반 양자계산 아키텍처에서 고주파 작동(최대 1 THz)의 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• 이온 주입을 통해 소수의 As 도핑 원자를 포함한 40 nm 채널 영역을 갖는 다중 게이트 실리콘 나노와이어 트anz이터를 제작하였다.
• 두 개의 상부 게이트(GL, GR)와 배경 게이트(VBG)를 사용하여, 두 도핑 원자의 에너지 수준을 소스-드레인 전압과 공 resonance 시켰다.
• 저온(15 mK)에서의 전도도 측정을 수행하여 도핑 쌍을 통과하는 단일 전자 터널링을 감지하였다.
• 한 개의 상부 게이트에 마이크로파 신호를 인가하여 도핑 원자의 (0,1)과 (1,0) 전하 상태 사이의 공진적 Rabi 유사 진동을 유도하였다.
• 터널 결합 Δ, 위상 분리 시간 T₂, 및 터널 속도 ΓL, ΓR를 포함하는 베셀 함수 기반 식을 사용하여 관측된 Landau-Zener-Stuckelberg 간섭 무늬를 모델링하였다.
• 간섭 무늬를 피팅하여 Δ/h = 125 MHz, T₂ = 0.3 ns, η = 4.1 ns²를 추출하였으며, 이는 일관성과 위상 분리 역학을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 나노와이어 내에서 개별 도핑 원자 두 개가 전기적으로 결합되어 일관된 이중 수준 시스템을 형성할 수 있는가?
• RQ2 이중 도핑 원자 전하 큐비트에서 마이크로파 구동 일관성 진동을 유도하고 관측할 수 있는가?
• RQ3 이중 도핑 원자 시스템의 전하 위상 분리 시간 T₂는 얼마이며, 무엇이 이를 제한하는가?
• RQ4 마이크로파 구동 주파수가 간섭 무늬의 명암에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 도핑 시스템의 큰 에너지 갭을 고려할 때, 1 THz까지의 고주파 작동이 불필요한 진동을 유도하지 않고 달성될 수 있는가?

주요 결과

• 두 개의 As 도핑 원자를 통해 잘 고립된 이중 수준 시스템(TLS)이 형성되었으며, (0,1)과 (1,0) 전하 상태 사이의 에너지 갭은 4.5 meV로, 이는 도핑 원자 간 거리 30 nm에 해당한다.
• 마이크로파 구동 Rabi 진동이 관측되었으며, 이는 최대 10개의 마이크로파 광자를 흡수하거나 방출한 간섭 무늬로 나타났다.
• 전하 위상 분리 시간 T₂는 0.3 ns로 측정되었으며, 다른 전하 큐비트 시스템과 일치하며 게이트 리드 노이즈에 의해 제한되지 않았다.
• 마이크로파 주파수를 변화시켜 간섭 무늬가 사라지는 현상을 통해, 공진에서 비공진으로의 전이가 실험적으로 입증되었다: fMW가 T₂⁻¹를 초과할수록 간섭 무늬가 사라진다.
• fMW = 10 GHz (~3/T₂)일 경우, 반대칭점 통과를 여러 번 거치며 복잡한 간섭 무늬가 발생한다; 반면 fMW = 1 GHz (~T₂⁻¹/3)일 경우, 연속된 통과 사이에도 일관성이 상실된다.
• 기저 상태와 올린 상태 사이의 큰 에너지 갭 덕분에, 1 THz까지의 주파수에서 작동이 가능할 것으로 예상되며, 이는 중간 수준의 T₂에도 불구하고 빠른 게이트 동작을 가능하게 한다.