science >> Wetenschap >  >> Fysica

Team verkreeg controle op hoog niveau over de levensduur van spin-qubits op basis van siliciumkwantumdots

Krediet:CC0 Publiek Domein

Door de richting van het externe magnetische veld af te stemmen op de kristallografische as van de siliciumwafer, een verbetering van de spin-levensduur (ontspanningstijd) met meer dan twee ordes van grootte werd gerapporteerd in silicium kwantumstippen. Deze doorbraak werd uitgevoerd door een team onder leiding van academicus Guo Guangcan van CAS Key Laboratory of Quantum Information, USTC, waarin prof. Guo Guoping, Prof. Li Hai-Ou met hun collega's en Origin Quantum Computing Company Limited. Dit werk is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven op 23 juni, 2020.

Spin-qubits op basis van siliciumkwantumdots zijn een kernprobleem geweest bij de ontwikkeling van grootschalige kwantumberekening vanwege de lange coherentietijd en de compatibiliteit met moderne halfgeleidertechnologie. Onlangs, de relaxatietijd en defaseringstijd van spin-qubits ontwikkeld in Si MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) en Si/SiGe heterostructuur hebben honderden milliseconden en honderden microseconden overschreden, respectievelijk, wat resulteert in een controlegetrouwheid van één qubit van meer dan 99,9% en een poortgetrouwheid van twee qubits van meer dan 98%. Met het succes op de universiteit, labs en bedrijven uit de industrie beginnen zich op dit gebied te zoals Intel, CEA-Leti, en IMEC. Echter, het bestaan ​​van valleitoestanden (een toestand die verband houdt met de dip in een bepaalde elektronische band) in siliciumkwantumdots zou de spinrelaxatietijd en defaseringstijd aanzienlijk kunnen verminderen via spin-valleimenging en de controlegetrouwheid van qubits beperken. Er werd gemeld dat bij een bepaald magnetisch veld, Spin-valley-menging zou de spin-relaxatietijd kunnen verkorten tot korter dan één milliseconde (zelfs één microseconde onder bepaalde omstandigheden), een spin-relaxatie "hot spot" genoemd. Als het aantal qubits toeneemt, dit fenomeen zal een groot aantal "slechte" qubits veroorzaken en verdere uitbreiding naar meer qubits belemmeren.

Een traditionele methode om de nadelige effecten van spin-valley-menging te onderdrukken, is om de omvang van de dalsplitsing te vergroten en de qubit zo ver weg te duwen dat spin- en valleitoestanden niet langer gemengd zijn. Echter, aangezien de dalstaten worden beïnvloed door meerdere factoren van het materiaal, die meestal niet uniform is, de omvang van de dalsplitsing is moeilijk te beheersen (vooral in Si/SiGe-heterostructuur). Een alternatieve benadering is om de omvang van de spin-valleimenging direct te regelen. Er werd gemeld dat in GaAs-kwantumdots, de sterkte van spin-baankoppeling zou kunnen worden afgestemd door de oriëntatie van het magnetische veld in het vlak en de spin-relaxatietijd wordt daarom verlengd. Hoe dan ook, tot dusver, er is nog steeds geen rapport over hoe de richting van het externe magnetische veld de sterkte van spin-valleimenging in silicium beïnvloedt.

Om dit probleem op te lossen, Prof. Li Hai-Ou, Prof. Guo Guoping en hun collega's fabriceerden Si MOS-kwantumdot van hoge kwaliteit en bereikten single-shot uitlezing van spin-qubits. Op basis van deze betrouwbare techniek, ze onderzochten het effect van zowel de sterkte als de oriëntatie van het externe magnetische veld op de spin-relaxatiesnelheden. Ze ontdekten dat wanneer het externe magnetische veld in het vlak onder een bepaalde hoek is georiënteerd, de spin-relaxatie "hot spot" kan worden "afgekoeld" met twee ordes van grootte, het verhogen van de relaxatietijd van minder dan een milliseconde tot meer dan honderd milliseconden. Deze grote variatie geeft aan dat spin-valley-menging effectief wordt onderdrukt, en het legt een basis voor toekomstig onderzoek naar het ontdoen van spinqubits van spin-valleimenging. Ook, de onderzoekers ontdekten dat deze anisotropie nog steeds meer dan twee ordes van grootte kan zijn wanneer het elektrische veld wordt gevarieerd. Dit suggereert dat de grootte van de anisotropie in een bepaald bereik onafhankelijk is van het elektrisch veld en dat het kan worden toegepast op een reeks qubits die verschillende lokale elektrische velden bevatten, die nieuwe richtingen moet bieden voor het optimaliseren van de uitlezing, controle en multi-qubit-uitbreiding van op silicium gebaseerde spin-qubits.

Dit werk staat hoog aangeschreven bij anonieme referenten, wie zei, "Dit werk levert een belangrijke bijdrage aan het ontrafelen van de onderliggende verschijnselen en het oplossen van het praktische probleem van het vinden van de optimale bedrijfsomstandigheden om de spinvrijheidsgraden in siliciumkwantumdots te benutten, " en "De studie die in dit manuscript wordt gepresenteerd, vertegenwoordigt een van de weinige uitgebreide studies die zijn gerealiseerd voor spin-relaxatie-anisotropie in QD's en biedt potentiële nieuwe manieren om ook de anisotropie-eigenschappen van inter-vallei en intra-vallei spin-mengmechanismen te onderzoeken, " en "Het fysieke begrip van het samenspel van spin, dal- en orbitale vrijheidsgraden worden met dit werk naar een hoger niveau getild."