[论文解读] Isotopically engineered silicon/silicon-germanium nanostructures as basic elements for a nuclear spin quantum computer

I. Shlimak, V. I. Safarov+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2001

Quantum and electron transport phenomena被引用 7

一句话总结

本文提出利用同素体工程化的 Si/SiGe 异质结构作为核自旋量子计算机的平台，通过量子点中的超精细耦合实现核自旋态的电学检测。通过同素体工程减少核自旋密度，该方案实现了长退相干时间下的量子信息处理相干控制。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的、基于半导体的核自旋量子计算平台，利用同素体纯化的 Si 和 Ge。
• 通过同素体工程减少核自旋密度，解决现有 GaAs/AlGaAs 系统中的退相干问题。
• 展示一种可行的途径，通过量子点中的电子-核自旋耦合实现量子信息的记录、读取和传输。
• 实现在极少数核子存在的系统中对核自旋极化的电学检测，这对未来量子计算应用至关重要。

提出的方法

• 利用同素体工程化的 Si/SiGe 异质结，其中自旋载流同素体（Si-29、Ge-73）的天然丰度较低，以最小化核自旋密度。
• 设计具有三个栅极（G1、G2、G3）的侧向栅结构，以形成并控制含有孤立核自旋的量子点（QDs）。
• 在量子霍尔效应区域施加电子自旋共振（ESR），通过超精细相互作用极化核自旋。
• 利用 V1V1 和 V2V2 探针进行纵向磁阻测量，通过奥弗豪泽效应检测核自旋极化。
• 对栅极 G3 施加电压调制，以控制量子点之间的耦合，实现信息传输。
• 依赖在磁场扫描下磁阻的磁滞现象检测核自旋态。

实验结果

研究问题

• RQ1 同素体工程化的 Si/SiGe 异质结构能否支持具有减少退相干的长寿命核自旋量子比特？
• RQ2 在仅含几百个核子的量子点中，核自旋极化的电学检测是否可行？
• RQ3 量子点之间的可控耦合能否实现核自旋信息的相干传输？
• RQ4 奥弗豪泽效应能否用于在可扩展的纳米尺度器件架构中读取核自旋态？
• RQ5 同素体工程能否实现近乎无自旋的通道，以隔离量子比特态？

主要发现

• 使用同素体富集的 Si 和 Ge 可将每个量子点中的核自旋数减少到几百个，从而最小化自旋翻转散射引起的退相干。
• 核自旋极化可通过 ESR 引发的超精细耦合记录，电子自旋跃迁可将极化转移至核自旋。
• 核自旋态可通过磁阻测量中的磁滞现象读取，证明了极化差异的检测（左量子点 γ = 1，右量子点 γ = 0）。
• 通过移除量子点之间的势垒，实现信息在量子点间的传输，允许电子介导的核自旋弛豫随时间使极化趋于均衡。
• 奥弗豪泽效应可在宏观系统中实现对核自旋态的电学检测，即使核子数量极少亦可实现。
• 所提出的器件在当前原子力显微镜辅助光刻和同素体富集材料条件下具有实验可行性，主要制造挑战为对准精度。