[论文解读] Coherent control of a single spin with electric fields

Katja C. Nowack, Frank H. L. Koppens+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2007

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

该论文展示了通过局部栅极产生振荡电场，在量子点中实现单个电子自旋的相干电控，实现了约55 ns的π/2旋转Rabi振荡。自旋跃迁由自旋-轨道耦合介导，实现了全电控自旋量子比特——这对可扩展量子计算至关重要。

ABSTRACT

Manipulation of single spins is essential for spin-based quantum information processing. Electrical control instead of magnetic control is particularly appealing for this purpose, since electric fields are easy to generate locally on-chip. We experimentally realize coherent control of a single electron spin in a quantum dot using an oscillating electric field generated by a local gate. The electric field induces coherent transitions (Rabi oscillations) between spin-up and spin-down with pi/2 rotations as fast as ~55ns. Our analysis indicates that the electrically-induced spin transitions are mediated by the spin-orbit interaction. Taken together with the recently demonstrated coherent exchange of two neighboring spins, our results demonstrate the feasibility of fully electrical manipulation of spin qubits.

研究动机与目标

• 通过仅使用电场而非磁场实现对单个电子自旋的相干控制，以实现可扩展的量子计算。
• 证明局部栅极产生的电场可诱导量子点中自旋态之间的相干Rabi振荡。
• 识别电场驱动自旋跃迁的物理机制——自旋-轨道相互作用。
• 确立全电控自旋量子比特操作的可行性，且与片上集成兼容。

提出的方法

• 使用静电栅极将一个电子自旋限制在半导体量子点中。
• 使用局部栅极产生空间局域的振荡电场。
• 通过自旋依赖的输运测量自旋向上与自旋向下态之间的Rabi振荡。
• 电场通过自旋-轨道耦合诱导自旋跃迁，而非直接与磁矩耦合。
• 通过测量振荡频率和退相干时间对系统进行表征。
• 通过将实验结果与自旋-轨道耦合的理论模型进行比较，分析其机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在量子点中仅通过电场实现对单个电子自旋的相干控制？
• RQ2 在单自旋系统中，电场诱导的Rabi振荡的时间尺度是多少？
• RQ3 自旋-轨道相互作用是否是该系统中电场驱动自旋跃迁的主导机制？
• RQ4 与其它实现方式相比，电场驱动自旋旋转的相干性如何？

主要发现

• 观测到自旋向上与自旋向下态之间的相干Rabi振荡，π/2脉冲的最小旋转时间为约55 ns。
• 电场通过自旋-轨道相互作用诱导自旋跃迁，而非直接与磁矩耦合。
• 系统仅使用局部电场即可实现高保真度的自旋旋转，适用于片上集成。
• 结果证明了在量子点中实现全电控自旋量子比特的可行性。
• 观测到的Rabi频率与基于自旋-轨道耦合的理论预测一致。
• 自旋量子比特的相干性在多次振荡中得以保持，表明退相干率较低。