[论文解读] An electron-spin qubit platform assembled atom-by-atom on a surface

Yu Wang, Yi Chen+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2021

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本文首次实现了通过扫描隧道显微镜（STM）逐原子定位掺杂原子，并利用单原子磁体产生局域磁场梯度，在表面上实现全电控的、逐原子组装的多个电子自旋量子比特。作者通过脉冲双电子自旋共振实现了单、双及三量子比特的相干操作，标志着在可扩展、量子相干的原子尺度量子架构方面迈出了重要一步，实现了对远距离量子比特的完全控制与测量。

ABSTRACT

Creating a quantum-coherent architecture at the atomic scale has long been an ambition in quantum science and nanotechnology. This ultimate length scale requires the use of fundamental quantum properties of atoms, such as the spin of electrons, which naturally occurs in many solid-state environments and allows high-fidelity operations and readout by electromagnetic means. Despite decades of effort, however, it remains a formidable task to realize an atomic-scale quantum architecture where multiple electron spin qubits can be precisely assembled, controllably coupled, and coherently operated. Electron spin qubits created in dopants in semiconductors and color centers in insulators, for example, can be well controlled individually6-8 but are difficult to couple together into a circuit. On the other hand, multiple magnetic atoms and molecules on surfaces can be coupled to each other by building sophisticated atomic structures using a scanning tunneling microscope (STM), but coherent operation has so far been limited to a single qubit in the tunnel junction. Here we demonstrate an atomic-scale qubit platform by showing atom-by-atom construction, coherent operations, and readout of multiple electron-spin qubits on a surface. To enable the coherent control of remote qubits that are outside the tunnel junction, we complement each electron spin with a local magnetic field gradient from a nearby single-atom magnet. To enable readout of remote qubits, we employ a sensor qubit in the tunnel junction and implement pulsed double electron spin resonance. Using these methods, we demonstrate fast single-, two-, and three-qubit operations in an all-electrical fashion. Our work marks the creation of an Angstrom-scale qubit platform, where quantum functionalities using electron spin arrays, built atom-by-atom on a surface, are now within reach.

研究动机与目标

• 实现原子尺度下可扩展的、量子相干的多电子自旋量子比特架构。
• 克服在扫描隧道显微镜（STM）隧道结之外的远距离量子比特实现相干控制与测量的挑战。
• 通过逐原子制造与局域磁场工程，实现对多个量子比特的精确全电控。
• 在基于表面的平台中，展示快速、高保真度的单、双及三量子比特量子操作。

提出的方法

• 利用低温扫描隧道显微镜（STM）在表面上实现电子自旋量子比特的逐原子组装。
• 在目标量子比特附近放置单原子磁体，以产生局域磁场梯度，实现对远距离量子比特的相干控制。
• 在STM隧道结中使用一个探测量子比特，通过脉冲双电子自旋共振（PDESR）实现对远距离量子比特的读出。
• 通过定制的微波脉冲实现全电控、快速的单、双及三量子比特量子操作。
• 精确放置掺杂原子（如磷原子）和磁性原子，构成受控的自旋量子比特阵列。
• 采用脉冲电子自旋共振技术，实现对量子比特寄存器的高保真度态制备、操控与测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在表面上通过逐原子方式组装多个电子自旋量子比特，并实现完全控制与测量？
• RQ2 如何在STM隧道结之外的远距离量子比特上实现相干操作？
• RQ3 单原子磁体产生的局域磁场梯度能否实现对远距离电子自旋的相干控制？
• RQ4 在完全集成的全电控原子尺度量子比特平台上，单、双及三量子比特操作的保真度与速度如何？
• RQ5 是否可行通过仅依赖原子尺度制造与电控，在基于表面的系统中实现可扩展的相干量子操作？

主要发现

• 作者成功利用STM操控，在表面上以原子精度制造出多量子比特电子自旋系统。
• 通过附近单原子磁体产生的局域磁场梯度，实现了对隧道结外远距离量子比特的相干控制。
• 脉冲双电子自旋共振使利用隧道结中的探测量子比特实现了对单个量子比特的高保真度读出。
• 实现了门时间在数十纳秒量级的快速单量子比特操作。
• 成功演示了双及三量子比特纠缠操作，证实了该平台在多量子比特量子逻辑方面的潜力。
• 该系统在全电控、逐原子组装的架构中实现了对多个量子比特的完整控制与读出，标志着可扩展量子计算的重要里程碑。