半導体２重量子ドット中の電子スピンを用いた量子ビットの高性能化と量子計算の実現

提高量子比特性能并利用半导体双量子点中的电子自旋实现量子计算

• 批准号: 11J09133
• 负责人: 米田 淳
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2011
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2011 至 2013
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11J09133/
• 关键词: 量子ドット; 電子スピン; 量子情報; 半導体量子ドット; 固体量子情報素子; ESR

本研究の目標は、半導体量子ドット中の電子スピンを量子ビットとして用いた量子計算を実現することである。そのための技術的課題の克服や物理的検証を目指して研究を進めてきた。これまでに、微小磁石による局所磁場を利用することで、従来の報告値よりも1桁高速な120MHz以上のESR動作を実現、単一スピン操作において95%程度と高い忠実度を達成した。また単一電子スピンの位相を電極電圧で直接制御できることを示し、量子計算に有用な50MHzの位相操作を実証するなど、半導体量子ドット中の電子スピン量子ビットの性能の高さを示してきた。本年度は単一スピン量子ビットの量子操作実験に関してさらに解析を進めた。100MHzのESRを用いることで核スピンとの相互作用時間に比べて短い時間での操作が達成されており、そのラビ振動がこれまで観測されていたものとは質的に異なる振る舞いを見せていることを明らかにした。また、本研究で初めて同系で観測されたシェプロン紋様が、このような高速操作を実現した場合にのみ観測されることを理論的に明らかにした。またこれらの結果を踏まえ、量子計算に必要な量子誤り訂正の実証を見据えて、3量子ビット系の実装に取り組んだ。このために、高い制御性を備えた3重量子ドット試料を作製した。自由度の高い試料の調整時間を短縮するため、またスピン状態の単一検出を可能にするために、高速読み出しを可能にする高周波測定系を構築した。これにより量子ドット試料の特性評価に要する時間を従来の1割程度にまで短くできた。また、いくつかの3重量子ドットをスピン操作に必要な電子数状態に調整した。さらに構築した測定系における雑音強度と試料の信号強度から、忠実度99%のスピン検出に必要な時間を推定し、緩和時間に比べて非常に短い、4μs程度での検出が可能という見積もりをたてた。

这项研究的目的是使用半导体量子点中的电子旋转作为量子数实现量子计算。我们一直在进行研究，目的是克服技术挑战和物理验证。到目前为止，通过利用由微型磁铁引起的局部磁场，ESR运行120MHz或更多，这比传统报道的值快一个数量级，在单个自旋操作中达到了约95％的高保真度。它还表明，单个电子自旋的相位可以由电极电压直接控制，这表明50 MHz相的操作有用，可用于量子计算，表明半导体量子点中电子自旋值的高性能。今年，我们进一步对单旋转矩的量子操纵实验进行了进一步的分析。使用100MHz ESR，在短时间内实现了与与核自旋的相互作用时间的实现，并且据揭示了拉宾振动的行为与迄今为止观察到的行为的行为不同。此外，从理论上讲，在这项研究中首次观察到的Shepron模式只有在实现这种高速运行时才能观察到。基于这些结果，我们还致力于实施一个三分系统，并着眼于证明量子计算所需的量子误差校正。因此，制备了具有高对照的3量子点样品。为了缩短具有高度自由度的样品的调整时间并使自旋状态进行单一检测，高频测量系统构建了高速读数。这缩短了将量子点样品表征到大约10％的常规方法所需的时间。此外，将几个三个量子点调整为自旋操作所需的电子数状态。此外，根据构建的测量系统中样品的噪声强度和信号强度，估计以99％的忠诚度旋转检测所需的时间，并且估计可以在4μs下进行检测，这与弛豫时间相比非常短。

项目成果

Direct phase control of a single spin qubit

单个自旋量子位的直接相位控制

• 作者: Jun Yoneda*;Tomohiro Otsuka*;Takashi Nakajima;Tatsuki Takakura;Toshiaki Obata;Hong Lu;Christopher Palmstrom;Arthur C. Gossard; and Seigo Tarucha (*equal contribution)
• 通讯作者: and Seigo Tarucha (*equal contribution)

Detection of spin polarization utilizing singlet and triplet states in a single-lead quantum dot

• DOI: 10.1103/physrevb.86.081308
• 发表时间: 2012-06
• 期刊: Physical Review B
• 影响因子: 3.7
• 作者: T. Otsuka;Yuuki Sugihara;J. Yoneda;S. Katsumoto;S. Tarucha

単一電子スピン量子ビットの位相ゲート

单电子自旋量子位相门

• 作者: 米田淳;大塚朋廣;中島峻;高倉樹;小幡利顕;樽茶清悟
• 通讯作者: 樽茶清悟

Coherent dynamics of a strongly driven single electron spin

强驱动单电子自旋的相干动力学

• 作者: Jun Yoneda*;Tomohiro Otsuka*;Takashi Nakajima;Tatsuki Takakura;Toshiaki Obata;Hong Lu;Christopher Palmstrom;Arthur C. Gossard; and Seigo Tarucha (*equal contribution)
• 通讯作者: and Seigo Tarucha (*equal contribution)

Single-step Z Rotation of a Single Spin Qubit in a Semiconductor Quan turn Dot

半导体量子转点中单自旋量子位的单步 Z 旋转

• 发表时间: 2013
• 作者: J. Yoneda;T. Otsuka;T. Nakajima;T. Takakura;T. Obata;H. Lu;C. Palmstrom;A. C. Gossard;and S. Tarucha
• 通讯作者: and S. Tarucha