[论文解读] Quantum well stabilized point defect spin qubits

Ivády, Joel Davidsson+11 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 64被引用 17

一句话总结

本文提出在碳化硅中设计量子阱以稳定点缺陷自旋量子比特的电荷态，克服电荷不稳定性和声子干扰问题。通过密度泛函理论和同步辐射X射线衍射，作者识别出一种近堆垛层错轴向双空位，其可产生鲁棒、室温运行的自旋量子比特，具有高光学稳定性和抗光致电离特性。

ABSTRACT

Defect-based quantum systems in in wide bandgap semiconductors are strong candidates for scalable quantum-information technologies. However, these systems are often complicated by charge-state instabilities and interference by phonons, which can diminish spin-initialization fidelities and limit room-temperature operation. Here, we identify a pathway around these drawbacks by showing that an engineered quantum well can stabilize the charge state of a qubit. Using density-functional theory and experimental synchrotron x-ray diffraction studies, we construct a model for previously unattributed point defect centers in silicon carbide (SiC) as a near-stacking fault axial divacancy and show how this model explains these defect's robustness against photoionization and room temperature stability. These results provide a materials-based solution to the optical instability of color centers in semiconductors, paving the way for the development of robust single-photon sources and spin qubits.

研究动机与目标

• 解决宽禁带半导体中基于缺陷的自旋量子比特性能受限的电荷态不稳定性与声子干扰问题。
• 克服荧光中心光学不稳定性带来的挑战，该问题阻碍了可靠的自旋初始化与单光子源运行。
• 开发基于材料的解决方案，以增强碳化硅中自旋量子比特的鲁棒性与可扩展性。
• 识别并表征此前未归因的碳化硅中的点缺陷中心，确认其为具有独特电子与结构特性的轴向双空位。
• 通过工程化量子阱结构稳定其电荷态，实现自旋量子比特的室温运行。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）模拟4H-SiC中点缺陷的电子结构与电荷态稳定性。
• 利用同步辐射X射线衍射实验探测局部晶体结构，确认堆垛层错的存在。
• 在SiC中设计量子阱结构，以限制电子并稳定缺陷中心的电荷态。
• 分析缺陷对光致电离与声子耦合的响应，评估其光学与热稳定性。
• 将理论预测与实验数据相关联，验证轴向双空位作为鲁棒自旋量子比特候选者的模型。
• 研究近堆垛层错在改变电子势并抑制电荷态跃迁中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 此前未归因的4H-SiC中表现出鲁棒光学与自旋特性的点缺陷中心的原子尺度结构是什么？
• RQ2 量子阱结构的存在如何影响SiC中点缺陷的电荷态稳定性？
• RQ3 轴向双空位缺陷在多大程度上抵抗光致电离，并在室温下保持其自旋态？
• RQ4 近堆垛层错在稳定缺陷中心电子环境中的作用是什么？
• RQ5 在SiC中工程化量子阱结构能否实现可扩展、室温运行且初始化保真度高的自旋量子比特？

主要发现

• 此前未归因的4H-SiC点缺陷中心被识别为具有近堆垛层错构型的轴向双空位。
• 量子阱结构有效稳定了缺陷的电荷态，减少了电荷态波动，提升了自旋初始化保真度。
• 轴向双空位表现出对光致电离的强抵抗力，可在室温下实现稳定的光学循环。
• 同步辐射X射线衍射证实缺陷附近存在堆垛层错，这对电子稳定至关重要。
• 该缺陷保持了鲁棒的自旋基态，具有长相干时间，适用于量子信息应用。
• DFT建模与实验验证的结合表明，量子阱工程是稳定宽禁带半导体中自旋量子比特的可行路径。