Spin-photon interfaces based on isoelectronic centers in semiconductors

基于半导体等电子中心的自旋光子界面

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2017-06284
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2.62万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2022-01-01 至 2023-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Quantum networks use photons to transport quantum states and distribute entanglement between processing nodes; they enable distributed computation and secure communications. They are built from physical interfaces converting stationary and photon qubits. Providing the clearest paths to scalability, solid-state spin qubits are actively developed as spin-photon interfaces.My group has successfully pioneered the use of isoelectronic centers (ICs), an optically-addressable semiconductor defect, as spin-photon interfaces. In the last grant cycle, we have made significant contributions to their understanding and demonstrated two strategic advantages that no other system combines: the high optical homogeneity of NV centers and the large dipole moments of epitaxial quantum dots. In addition, we have revealed the existence of light-and heavy-hole trions and demonstrated new and powerful optical control schemes. These accomplishments demonstrate our capacity to independently develop new research directions in this field. In the light of the compelling opportunities offered by ICs, this grant cycle is dedicated to further advancing the research on this spin qubit system. More specifically, I propose to elucidate spin relaxation and decoherence mechanisms and exploit their distinctive characteristics to address two outstanding issues impeding the development of semiconductor-based spin-photon interfaces:Spin coherence times in direct gap semiconductors are short. To address this issue, we take advantage of 1) the dilute nuclear spin environment offered by O and Te ICs in II-VI materials and 2) the extreme localization of the bound spin over a few nuclei. These two aspects can yield a local “nuclear-spin-free” environment where no nuclear spin is located underneath the electron or hole wavefunction, thereby suppressing this dominant decoherence mechanism.Actual schemes for optical initialization, control, and single-shot read-out are mutually incompatible. This important issue facing semiconductor nanostructures is solved by exploiting both light- and heavy-hole states in a single magnetic field configuration: light-hole trions provide the lambda structure for initialization and control and heavy-hole trions provide the cycling transition for read-out.By developing an original approach and by addressing two fundamental limitations, our research program strives for the highest scientific impact in quantum information, a prominent research field that promises to revolutionize information technologies. In the short term, this program enables students to develop outstanding experimental skills in classical and quantum optics, solid-state physics and devices, and precision instrumentation. These skills are highly sought in information and communication industry, which has been the fastest growing sector of the Canadian economy over the last ten years.
量子网络使用光子传输量子态并在处理节点之间分配纠缠;它们通过转换固定量子位和光子量子位的物理接口构建,固态自旋量子位提供了最清晰的可扩展性路径。我的小组成功地率先使用等电子中心(IC)(一种光学可寻址的半导体缺陷)作为自旋光子界面。在上一个资助周期中,我们为他们的理解做出了重大贡献,并展示了其他系统无法结合的两个战略优势:NV中心的高光学均匀性和外延量子点的大偶极矩,此外,我们还揭示了这一点的存在。轻孔和重孔三重子的研究以及展示了新的、强大的光学控制方案,这些成就证明了我们在该领域独立开发新研究方向的能力,鉴于集成电路提供的诱人机会,本次资助周期致力于进一步发展。推进这一旋转的研究更具体地说,我建议阐明自旋弛豫和退相干机制,并利用它们的独特特性来解决阻碍基于半导体的自旋光子界面发展的两个突出问题:直接带隙半导体中的自旋相干时间很短。为了解决这个问题,我们利用了 1) II-VI 材料中 O 和 Te IC 提供的稀核自旋环境,以及 2) 几个核上的束缚自旋的极端局域性。这两个方面可以产生局部的。 “无核自旋”环境,其中没有核自旋位于电子或空穴波函数下方,从而抑制了这种主要的退相干机制。光学初始化、控制和单次读出的实际方案是相互不兼容的。通过在单一磁场配置中利用轻空穴和重空穴态来解决半导体纳米结构的问题:轻空穴三重子提供用于初始化和控制的 lambda 结构,重空穴三重子提供循环跃迁通过开发一种原创方法并解决两个基本限制,我们的研究项目致力于在量子信息领域实现最高的科学影响,这是一个有望在短期内彻底改变信息技术的重要研究领域。培养经典和量子光学、固态物理和设备以及精密仪器方面的出色实验技能,这些技能在信息和通信行业受到高度追捧,该行业是过去十年加拿大经济增长最快的部门。

项目成果

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  • 批准号:
    RGPIN-2017-06284
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 2.62万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
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  • 批准号:
    RGPIN-2017-06284
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  • 批准号:
    RGPIN-2017-06284
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  • 资助金额:
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    $ 2.62万
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  • 批准号:
    RGPIN-2017-06284
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 2.62万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
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基于半导体等电子中心的自旋光子界面
  • 批准号:
    RGPIN-2017-06284
  • 财政年份:
    2017
  • 资助金额:
    $ 2.62万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
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    328262-2012
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    2016
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    $ 2.62万
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    328262-2012
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    RGPIN-2017-06284
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    2021
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    $ 2.62万
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  • 财政年份:
    2020
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    $ 2.62万
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  • 批准号:
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