[论文解读] Coherent control of individual electron spins in a two dimensional array of quantum dots

Pierre-André Mortemousque, Emmanuel Chanrion+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用 17

一句话总结

本文展示了对三维量子点阵列中单个电子自旋的相干控制，该阵列为3×3的二维隧穿耦合量子点阵列，实现了确定性的电荷位移、局域自旋读出、相邻量子点间的相干交换操控，以及数微米距离的多方向自旋转移。关键成果是观察到运动窄化现象，自旋相干时间随电子速度呈双曲增长，从而为可扩展的量子模拟与计算平台提供了支持。

ABSTRACT

The ability to manipulate coherently individual quantum objects organized in arrays is a prerequisite to any scalable quantum information platform. For electron spin qubits, it requires the fine tuning of large arrays of tunnel-coupled quantum dots. The cumulated efforts in linear dot arrays have permitted the recent realization of quantum simulators and multi-electron spin coherent manipulation. However, the two-dimensional scaling of such implementations remains undemonstrated while being compulsory to resolve complex quantum matter problems or process quantum information. Here, we demonstrate the two-dimensional coherent control of individual electron spins in a 3x3 array of tunnel-coupled quantum dots. More specifically, we focus on several key quantum functionalities of such control: charge deterministic displacement, local spin readout, local coherent exchange manipulation between two electron spins trapped in adjacent dots, and coherent multi-directional spin shuttling over distances of several microns. This work lays the foundations for exploiting a two-dimensional array of electron spins for quantum simulation and information processing.

研究动机与目标

• 在二维量子点阵列中实现可扩展的、相干的单个电子自旋控制，这是迈向大规模量子信息处理与模拟的关键一步。
• 克服在二维量子点阵列中对电子自旋进行调控、控制与读出的技术挑战，超越线性结构的限制。
• 建立一个支持多方向自旋转移与相干交换操作的平台，这对于实现通用量子门至关重要。
• 研究电子运动对自旋相干性的影响，特别是运动窄化在延长相干时间中的作用。
• 验证一种具有共享栅极与局域电表的可扩展门架构，为未来大规模集成提供支持。

提出的方法

• 利用AlGaAs/GaAs异质结构中的二维电子气，定义了一个3×3的隧穿耦合量子点阵列，通过28个独立可调的栅压精确控制量子点势能与隧穿耦合强度。
• 通过在TL（左上）量子点上施加电压脉冲实现电子加载与隔离，利用稳定性图谱与四个局域量子点接触作为电表识别电荷构型。
• 通过调节栅压使系统进入相干交换振荡可观察到的区域，实现相邻量子点间隧穿耦合的局域增强，即在能级失谐的“甜点”区域实现两电子自旋的相干交换振荡。
• 在一和两个电子的自旋态中初始化为单重态，通过施加电压脉冲实现电子在阵列中沿受控的多方向路径移动，完成相干位移。
• 通过时间分辨的单重态概率演化测量自旋相干性，模拟中对每个数据点使用100个随机采样的核自旋场矢量来考虑超精细相互作用。
• 采用包含真实电容矩阵的恒定相互作用模型模拟稳定性图谱，并对100个核自旋场实现进行数值积分求解薛定谔方程，以计算平均单重态概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在隧穿耦合的二维量子点阵列中实现对单个电子自旋的相干控制，从而突破线性链架构的限制？
• RQ2 电子运动对自旋相干性有何影响？在二维量子点阵列中能否观察到运动窄化现象？
• RQ3 能否通过局域增强隧穿耦合，实现在相邻量子点中两电子的相干交换振荡？
• RQ4 在具有高保真度自旋读出的二维量子点阵列中，能否实现确定性的、多方向的数微米距离自旋转移？
• RQ5 能否实现一种具有共享栅极与局域电表的可扩展门架构，以支持未来大规模电子自旋控制？

主要发现

• 作者在多个方向上实现了对五个量子点子集的单个与双电子的确定性位移，相干运动距离达数微米。
• 通过局域增强隧穿耦合，观察到相邻量子点中两电子自旋间的相干交换振荡，证实了两量子比特操作的可行性。
• 在3×3阵列的任意位置均实现了高保真度的局域自旋读出，支持对整个结构的态监测。
• 自旋相干时间随电子速度呈双曲增长，证实了运动窄化现象，表明通过运动实现的动态解耦可增强相干性。
• 在零磁场条件下，相干长度与传输速度成反比，相干时间达到与非零磁场下相当的水平，表明运动过程中退相干被有效抑制。
• 系统支持对电荷构型的完全控制，28个栅压可实现对所有可能电荷态的调节，并在中等隧穿耦合区域实现稳定运行。