[论文解读] A single-atom quantum memory in silicon

Solomon Freer, Stephanie Simmons+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2016

Quantum and electron transport phenomena参考文献 3被引用 3

一句话总结

该论文在同位素富集的²⁸Si中实现了单原子量子存储，利用单个³¹P施主的电子自旋和核自旋作为量子比特。通过电子-核共振脉冲，将量子信息从快速的电子自旋转移到长寿命的核自旋，实现了81%的保真度和最高达80 ms的存储时间，采用动态解耦技术，其限制因素为脉冲引起的电子自旋共振频率漂移。

ABSTRACT

Long coherence times and fast gate operations are desirable but often conflicting requirements for physical qubits. This conflict can be resolved by resorting to fast qubits for operations, and by storing their state in a `quantum memory' while idle. The $^{31}$P donor in silicon comes naturally equipped with a fast qubit (the electron spin) and a long-lived qubit (the $^{31}$P nuclear spin), coexisting in a bound state at cryogenic temperatures. Here, we demonstrate storage and retrieval of quantum information from a single donor electron spin to its host phosphorus nucleus in isotopically-enriched $^{28}$Si. The fidelity of the memory process is characterised via both state and process tomography. We report an overall process fidelity of $F_p =$81${\pm}$7%, a memory fidelity ($F_m$) of over 90%, and memory storage times up to 80 ms. These values are limited by a transient shift of the electron spin resonance frequency following high-power radiofrequency pulses.

研究动机与目标

• 在硅中利用施主实现单原子级别的量子存储，利用³¹P的电子自旋和核自旋作为量子比特。
• 实现从电子自旋到核自旋的高保真度量子信息存储与读取。
• 通过施加动态解耦（DD）脉冲，将存储相干时间延长至超过核自旋的本征相干时间。
• 识别并表征限制保真度和存储时间的主要退相干机制。
• 在基于硅的量子计算架构中实现可扩展的、高保真度的量子信息处理。

提出的方法

• 将单个³¹P施主植入同位素富集的²⁸Si外延层中，以最小化来自²⁹Si同位素的磁性退相干。
• 使用单电子晶体管（SET）实现对电子自旋态的单次测量读出。
• 通过宽带天线施加微波和射频（RF）脉冲，实现对电子自旋和核自旋的相干操控。
• 通过电子-核共振（ENDOR）脉冲，将量子相干性从电子自旋转移到核自旋以实现存储。
• 在存储期间对核自旋施加动态解耦（DD）脉冲，特别是CPMG序列，以延长相干时间。
• 利用拉比曼干涉仪和辅助微波脉冲进行态和过程层析，测量任意基矢下的保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在硅中以高保真度将量子信息从单个电子自旋相干地转移到其宿主³¹P核自旋？
• RQ2 在硅中单原子量子存储的最大可实现存储时间是多少？
• RQ3 本系统中限制过程和存储保真度的主要退相干机制是什么？
• RQ4 动态解耦如何影响核自旋存储的相干性？
• RQ5 通过减轻脉冲引起的频率漂移，能否提高存储保真度？

主要发现

• 量子存储协议的整体过程保真度达到81% ± 7%，显著超过经典极限的2/3。
• 保真度测量值为92%，表明状态转移和存储具有高保真度。
• 通过施加256个CPMG脉冲，实现了最高达80 ms的存储时间，与核自旋相干时间一致。
• 记忆协议的相干时间随CPMG脉冲数N的幂次N^0.36增长，接近核自旋CPMG时间。
• 识别出在高功率RF脉冲后电子自旋共振频率出现瞬态漂移，是导致保真度和相干性退化的首要原因。
• 核自旋相干时间显著长于此前在同一器件上的实验结果，表明未被检测到的脉冲引起的核自旋频率漂移也可能有贡献。