[论文解读] Coupling and coherent electrical control of two dopants in a silicon nanowire

Eva Dupont-Ferrier, B. Roche+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2012

Quantum and electron transport phenomena被引用 5

一句话总结

该论文通过微波驱动的兰道-曾泽-斯塔克尔伯格干涉仪，实现了在硅纳米线晶体管中对两个砷掺杂原子的相干电控。通过调节栅压将双能级电荷系统隔离，作者观察到了多达十个微波光子的量子干涉图案，测得电荷退相干时间为0.3 ns，为硅基量子计算中实现快速、相干的掺杂原子量子比特开辟了路径。

ABSTRACT

Electric control of individual atoms or molecules in a solid-state system offers a promising way to bring quantum mechanical functionalities into electronics. This idea has recently come into the reach of the established domain of silicon technology, leading to the realization of single-atom transistors and to the first measurements of electron spin dynamics in single donors. Here we show that we can electrically couple two donors embedded in a multi-gate silicon transistor, and induce coherent oscillations in their charge states by means of microwave signals. We measure single-electron tunneling across the two donors, which reveals their energy spectrum. The lowest energy states, corresponding to a single electron located on either of the two donors, form a two-level system (TLS) well separated from all other electronic levels. Gigahertz driving of this TLS results in a quantum interference pattern associated with the absorption or the stimulated emission of up to ten microwave photons. We estimate a charge dephasing time of 0.3 nanoseconds, consistent with other types of charge quantum bits. Here, however, the relatively short coherence time can be counterbalanced by fast operation signals (in principle up to 1 terahertz) as allowed by the large empty energy window separating ground and excited states in donor atoms. The demonstrated coherent coupling of two donors constitutes an essential step towards donor-based quantum computing devices in silicon.

研究动机与目标

• 在硅纳米线晶体管中实现两个独立掺杂原子（As）之间的相干电耦合。
• 通过微波激发，展示对双掺杂原子系统电荷态的相干控制。
• 通过兰道-曾泽-斯塔克尔伯格干涉仪探测掺杂原子双能级系统中的量子相干性。
• 测量电荷退相干时间并评估固态掺杂原子量子比特系统中的相干性极限。
• 评估在高达1 THz频率下运行的可行性，适用于基于掺杂原子的量子计算架构。

提出的方法

• 使用离子注入在40 nm沟道区域植入少量砷掺杂原子，制备了具有多栅结构的硅纳米线晶体管。
• 使用双顶栅（GL、GR）和背栅（VBG）电调双掺杂原子的能量级，使其与源漏偏置共振。
• 在低温（15 mK）下进行输运测量，以检测通过掺杂原子对的单电子隧穿。
• 向一个顶栅施加微波信号，驱动掺杂原子（0,1）和（1,0）电荷态之间的相干拉比振荡。
• 使用基于贝塞尔函数的表达式对观测到的兰道-曾泽-斯塔克尔伯格干涉图案进行建模，涉及隧穿耦合Δ、退相干时间T₂以及隧穿速率ΓL、ΓR。
• 通过拟合干涉条纹提取出Δ/h = 125 MHz、T₂ = 0.3 ns、η = 4.1 ns²，证实了相干性和退相干动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在硅纳米线中对两个独立掺杂原子实现电耦合，形成相干双能级系统？
• RQ2 能否在双掺杂原子电荷量子比特中诱导并观测到微波驱动的相干振荡？
• RQ3 双掺杂原子系统的电荷退相干时间T₂是多少？其限制因素是什么？
• RQ4 微波驱动频率如何影响量子干涉图案的可见度？
• RQ5 考虑到掺杂原子系统中较大的能隙，能否在高达1 THz的频率下实现运行，而不会引发非期望的激发？

主要发现

• 通过两个砷掺杂原子形成一个良好的隔离双能级系统（TLS），(0,1)和(1,0)电荷态之间相隔4.5 meV，对应掺杂原子间距为30 nm。
• 观察到微波驱动的相干拉比振荡，干涉条纹对应于吸收或发射多达十个微波光子。
• 测得电荷退相干时间T₂为0.3 ns，与其它电荷量子比特系统一致，且不受栅极引线噪声限制。
• 通过改变微波频率，实验展示了从相干到非相干驱动的转变：当fMW超过T₂⁻¹时，干涉条纹消失。
• 当fMW = 10 GHz（约3/T₂）时，多次通过反交叉点导致复杂的干涉图案；当fMW = 1 GHz（约T₂⁻¹/3）时，甚至在连续通过之间也失去相干性。
• 由于基态与激发态之间存在较大的能隙，系统具备在高达1 THz频率下运行的潜力，尽管T₂中等，仍可实现快速门操作。