NMR study of optically hyperpolarized phosphorus donor nuclei in silicon
我们使用上述带隙的光激发，通过1047 nm的激光，hyperembranch的$^{31}$ P自旋在低掺杂（N $_D =6\times10^{15}$ cm $^{-3}$）天然丰度硅在4.2 K和6.7 T，并感应检测所得的NMR信号。观察到的$30$ kHz光谱线宽显著大于从$^{28}$ Si富集硅晶体观察到的600 Hz线宽。我们发现，所观察到的增宽是一致的与以前的ENDOR结果显示离散的同位素质量效应贡献的捐助者超精细耦合。加宽的第二个来源可能是由于天然硅中不同同位素的随机分布引起的局部应变的变化。在天然丰度硅样品中观察到核自旋T $_1$和光诱导$^{31}$ P超极化的建立时间分别为$178\pm47$ s和$69\pm6$ s，显著短于先前在相同条件下在$^{28}$ Si富集样品中测量的值。我们还测量了9.4 T下天然丰度硅中$^{31}$ P信号的T $_1$和超极化建立时间，分别为$54\pm31$ s和$13\pm2$ s。在高场下较短的建立和核自旋T $_1$时间可能是由于较短的电子自旋T $_1$，其通过非长期超精细相互作用驱动核自旋弛豫。在6.7 T下，磷核自旋T $_{2}$在4.2 K下测量为$16.7\pm1.6$ ms，比$^{28}$ Si富集晶体短4倍。在红外激光存在下，观察到这进一步缩短至$1.9\pm0.4$ ms。
2018-07-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Voltage Control of Exchange Coupling in Phosphorus Doped Silicon
受量子计算机体系结构的应用程序的启发，我们研究了硅中相邻的磷施主电子之间的交换相互作用的变化，由于施加电压偏置到表面控制电极。这些电压偏置在晶体衬底内产生静电场，扰乱施主电子的状态，从而改变它们之间交换相互作用的强度。我们发现，这种控制门可以用来增强，或减少的相互作用的强度，由一个量，这取决于两者的大小和方向的施主分离。
2004-02-26 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Line Broadening and Decoherence of Electron Spins in Phosphorus-Doped Silicon Due to Environmental 29^Si Nuclear Spins
利用脉冲电子自旋共振技术，在8K下测量了掺磷硅单晶（f = 0.19% ≤ 99.2%）中29^Si同位素的浓度，系统地研究了环境29^Si核自旋对施主电子自旋的影响.作为f的函数的线宽示出了与理论分析的良好协议。我们还报道了施主电子自旋的相位记忆时间T_M依赖于f和相对于外磁场的晶轴。
2005-12-16 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Silicon-vacancy color centers in phosphorus-doped diamond
掺杂磷（n型）金刚石中色心的受控产生可以促进量子光子器件的电子集成，例如在电注入时操作的单光子源。硅空位（SiV）色心是很有前途的候选者，但迄今为止，在磷掺杂金刚石单光子发射的条件还没有调查。在这项研究中，我们创建SiV色心在金刚石样品中具有不同的磷浓度，并显示由于掺杂，氮杂质和离子注入诱导的缺陷的荧光背景可以显着抑制。在低注量硅离子注入下，在掺磷金刚石中获得了单光子发射体。
2019-12-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Large-scale atomistic density functional theory calculations of phosphorus-doped silicon quantum bits
我们提出了密度泛函理论计算磷掺杂剂在体硅和几个属性有关的使用自旋量子比特的量子计算。而不是一个混合的赝势或海特勒-伦敦的方法，我们已经使用了明确的治疗的磷供体和检查详细的电子结构的系统作为各向同性掺杂分数的函数，包括晶格弛豫由于杂质的存在。掺杂电子密度和自旋密度进行检查，以研究作为各向同性掺杂分数的函数的掺杂剂电子的属性。掺杂电位也计算用于计算的散射截面的磷掺杂剂，这是重要的电检测的磁共振实验的理解。我们发现，掺杂剂周围的电子密度导致掺杂电位的非球形特征，例如在（001）平面中的三角叶，其能量标度为+12 eV靠近核和-700 meV延伸远离掺杂剂。这些特征在有效质量理论中通常被忽略，并且会影响施主电子与磷核之间的耦合。我们的密度泛函计算揭示了掺杂剂的密度和电势的细节，这些掺杂剂在不包括明确处理磷供体原子和晶格弛豫的计算中并不明显。这些细节也可以用于参数化的紧束缚模型的模拟大规模的设备。
2013-07-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Flopping-mode electric dipole spin resonance in phosphorus donor qubits in silicon
基于硅中磷施主的单自旋量子比特是大规模量子计算机的一个有希望的候选者。尽管相干时间长，但由于纳米级高频磁场控制的挑战，实现均匀的磁控制仍然是放大的障碍。在这里，我们提出了一个基于双磷给体量子点的电子和核自旋态组合的翻转模式电偶极自旋共振量子比特的建议。利用基于供体的系统的关键优势在于，我们可以设计每个量子点中供体原子核的数量。通过创建具有反平行核自旋状态和多电子占据的多施主点，我们可以最小化纵向磁场梯度，已知该梯度将电荷噪声耦合到设备中并使量子位退相。我们描述了量子比特的操作，并表明，通过最小化核自旋的超精细相互作用，我们可以实现$π/2-X$门错误率$\sim 10^{-4}$使用现实的噪声模型。我们强调，在这些全外延磷掺杂硅量子比特的低电荷噪声环境将有利于实现强耦合的量子比特超导微波腔允许长距离双量子比特操作。
2021-05-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Hyperfine-assisted decoherence of a phosphorus nuclear-spin qubit in silicon
硅中磷原子的核自旋已被用作各种量子信息实验中的量子比特。有人提出，这种核自旋量子比特可以有效地控制由一个交流电场，当嵌入在一个两个电子点施主设置受到本征或人工自旋轨道相互作用。将量子位暴露于该设置中的控制电场也将其暴露于电噪声。在这项工作中，我们描述了电噪声机制（例如声子和$1/f$电荷噪声）的影响，并估计了核自旋量子比特相应的退相干时间尺度。我们确定了一个有前途的参数范围内的电单量子比特操作至少快一个数量级，然后退相干。在这种情况下，由于$1/f$电荷噪声，退相干由退相主导。我们的研究结果有利于纳米结构的优化设计，以证明电驱动的核自旋共振。
2019-03-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Influence of qubit displacements on quantum logic operations in a silicon-based quantum computer with constant interaction
对硅中磷施主量子计算机中自旋链系综中量子比特偏离预定位置所引起的误差进行了解析估计和数值计算。我们表明，它是可能的，甚至与位移量子比特的核自旋之间使用受控非门的电子和核自旋的同一磷原子的初始化。然而，由于交换相互作用常数对量子比特之间的距离的指数依赖性，位移电子自旋之间的受控非门的实现具有很大的误差。如果量子计算是在许多自旋链的系综上实现的，那么如果具有位移量子位的链的数量很小，则误差可以很小。
2006-09-14 quant-ph
Spectral diffusion of phosphorus donors in silicon at high magnetic field
Dartmouth College（达特茅斯学院）；National High Magnetic Field Laboratory, Florida State University（佛罗里达州立大学国家高磁场实验室）
研究高磁场下硅中磷施主电子与硅-29浴的谱扩散，发现其时间更短且各向异性增大，归因于超精细作用改变及波函数磁扰动，光激发可恢复低场时间。
2026-09-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Ab initio calculation of valley splitting in monolayer δ-doped phosphorus in silicon
由于谷分裂的电子带之间的能量的差异是至关重要的，在解释传输光谱实验的国家的最先进的量子器件定义的扫描隧道显微镜光刻。我们开发了一个平面波密度泛函理论描述这些系统，这是由于计算易处理的大小有限。然后，我们通过局部基函数开发了一个资源密集度较低的替代方案，保留了平面波描述的物理特性，并将该模型扩展到平面波方法的能力之外，以确定孤立δ层的从头计算谷分裂。在获得平面波和离域方法之间的协议，我们表明，谷分裂被高估在以前的从头计算超过50%。
2012-01-18 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Single-electron states of phosphorus-atom arrays in silicon
本文利用原子级紧束缚与波函数重叠分析研究硅中2至4个磷原子阵列的单电子态，并将能量映射为Fermi-Hubbard哈密顿量以支持模拟量子模拟。
2024-02-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Anisotropic Stark Effect and Electric-Field Noise Suppression for Phosphorus Donor Qubits in Silicon
我们报道了使用新型的电容终止共面波导（CPW）谐振器来测量硅中磷施主量子比特的二次斯塔克位移。我们确认，谷重新布居导致各向异性自旋轨道斯塔克位移取决于相对于Si晶体的电场和磁场取向。通过测量线性斯塔克效应，我们估计了有效的电场由于应变在我们的样品。我们表明，在这种应变的存在下，电场源的退相干可以是不可忽略的。使用我们的斯塔克位移的测量值，我们预测磁场的自旋轨道斯塔克效应取消超精细斯塔克效应，抑制退相干电场噪声。我们讨论了这些噪声抑制点的限制，由于随机分布的应变，并提出了一种方法来克服它们。
2015-03-08 cond-mat.mes-hall physics.ins-det quant-ph
Effect of pulse error accumulation on dynamical decoupling of the electron spins of phosphorus donors in silicon
动力学退耦（DD）是保持固态自旋系统量子相干性的有效工具。然而，实际脉冲的不完美性会破坏长DD序列的性能。利用硅中磷施主的电子自旋作为测试系统，研究了DD中不同脉冲误差的积累和补偿。本文研究了基于自旋绕两个垂直轴旋转的周期DD序列（PDD）及其级联和对称化形式。我们发现，脉冲误差可能会迅速破坏一些自旋状态，但保持其他国家的高保真度在很长一段时间。由于脉冲误差的累积，基于围绕$x$和$y$轴的自旋旋转的脉冲序列优于基于$x$和$z$轴的脉冲序列。级联提供了一种有效的方式来抑制脉冲误差的影响，并且可以保持所有自旋分量的高保真度：尽管脉冲数量呈指数级增加，但脉冲误差不会随着级联水平的增加而累积（到一阶）。我们的理论模型给出了一个清晰的定性图片的误差积累，并产生与实验定量一致的结果。
2012-01-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
The role of nuclear spin diffusion in dynamic nuclear polarization of crystalline nanoscale silicon particles
本研究通过第一性原理计算和有限元模拟，发现晶态纳米硅颗粒的超极化增强和弛豫时间与尺寸无关，并揭示了超极化输运机制，为其他材料的自旋扩散研究提供了可调模拟方法。
2024-12-13 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Atomistic tight-binding Hartree-Fock calculations of multielectron configurations in P-doped silicon devices: wavefunction reshaping
本文提出一种自洽的原子级紧束缚 Hartree-Fock 方法，计算并分析了硅中磷原子及二聚体的多电子态，发现该方法能准确估算电子排斥能且计算成本更低，并预测了双电子系统的反铁磁基态与三电子弱束缚态。
2025-03-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el quant-ph
Two-Electron Spin Correlations in Precision Placed Donors in Silicon
硅中的替代施主原子具有极长的弛豫和退相时间，是量子计算中很有前途的量子比特。缩放这些系统的关键挑战之一是确定施主间距离以实现可控的波函数重叠，同时在每个量子位上执行高保真度自旋读出。在这里，我们实现了这样的设备通过扫描隧道显微镜光刻。我们测量了硅中两个相距16 ${\pm}1$ nm的施主自旋量子位之间的反相关自旋态。通过利用一个非对称系统与两个磷施主在一个量子位的网站和一个在其他（2 P-1 P），我们证明了交换相互作用可以打开和关闭通过电控制的两个平面内的磷掺杂失谐门。我们确定的2 P-1 P系统之间的隧道耦合为200 MHz，并提供了一个路线图的观察两个电子的相干交换振荡。
2018-07-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum Coulomb Blockade in Orbital Resolved Phosphorus Triple-Donor Molecule
Quantum / Nano-science and Technology Lab, Department of Physics, Indian Institute of Technology Roorkee（印度理工学院鲁尔基分校量子/纳米科学与技术实验室物理系）；Research Institute of Electronics, Shizuoka University（静冈大学电子研究所）；Centre of Nanotechnology, Indian Institute of Technology Roorkee（印度理工学院鲁尔基分校纳米技术中心）
该研究通过实验和理论结合，展示了磷三供体分子中量子电荷阻塞对电子填充和轨道配置的影响，为可扩展的量子技术提供了新的见解。
2025-12-16 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Electrically detected spin echoes of donor nuclei in silicon
探测固态系统自旋性质的能力是各种新兴技术的电基础。在这里，我们延长硅中的磷施主的核自旋态的电读出的相干制度与修改后的哈恩回波序列。我们发现，虽然核自旋的电检测相位相干时间超过2毫秒，但它们仍然受到人为缩短的探测施主电子寿命的限制。
2011-09-07 cond-mat.other quant-ph
Quantum Hall Charge Sensor for Single-Donor Nuclear Spin Detection in Silicon
我们提出了一种新的光电混合方案来测量硅中的核自旋量子比特。通过将整数量子霍尔效应的环境不敏感性与硅中磷杂质的光学可区分的超精细态相结合，我们的系统可以同时提供核自旋测量和对环境缺陷的鲁棒性。同位素纯化的28Si中的31P施主自旋由于其极长的退相干时间而经常被讨论为非常有前途的量子存储量子比特，并且我们提出的器件为这样的量子存储系统提供了有效的实现。
2010-05-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Assessment of a silicon quantum dot spin qubit environment via noise spectroscopy
保持足够长的相干性以执行有意义的计算是大规模量子计算机实现途径上的主要挑战之一。来自环境的噪声是退相干的主要影响因素，但可以通过工程设计和控制解决方案来减轻。然而，这只有在彻底了解主要噪声源及其频谱之后才有可能。在本文中，我们采用硅量子点自旋量子比特作为一个噪声器件来研究量子比特所经历的噪声环境。我们比较了这种量子比特与硅量子比特中注入的磷施主在相同的环境和测量设置下对电噪声的敏感性。我们的研究结果表明，正如预期的那样，量子点自旋量子比特是更敏感的电噪声比施主自旋量子比特由于较大的斯塔克位移，和噪声光谱数据显示在中频（2-20 kHz）的显着的电荷噪声贡献。
2018-05-25 quant-ph
A single-atom electron spin qubit in silicon
单原子是量子系统的原型，也是量子比特（量子计算机的基本单位）的自然候选者。原子已成功地用于电磁阱中存储和处理量子信息，以及通过使用NV中心点缺陷在金刚石中存储和处理量子信息。固态电子器件具有很大的潜力，可以将这种演示从几个量子位控制扩展到更大规模的量子处理器。在这个方向上，自旋量子位的相干控制已经在GaAs和Si中的光刻定义的双量子点中实现。然而，将工程纳米结构的电学测量能力与原子自旋量子比特固有的优点相结合是一个巨大的挑战。在这里，我们展示了一个单独的电子自旋量子位绑定到一个磷施主原子在天然硅的相干操纵，通过单次读出电测量。我们使用电子自旋共振驱动拉比振荡，而哈恩回波脉冲序列显示自旋相干时间（T2）超过200 μs。预计在同位素富集的28Si样品中，该数字甚至会变得更长。再加上使用与现代集成电路技术兼容的器件架构，这些结果表明硅中单个磷原子的电子自旋是构建可扩展量子计算机的绝佳平台。
2013-05-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Implementation of quantum logic operations and creation of entanglement in a silicon-based quantum computer with constant interaction
我们描述了如何在硅基量子计算机中实现量子逻辑运算，磷原子作为量子比特。信息存储在核自旋的状态中，条件逻辑操作通过电子自旋利用核-电子超精细和电子-电子交换相互作用来实现。我们计算机中的电子应该只在一个控制非门的实现过程中保持相干。交换相互作用是恒定的，并且由磁场梯度提供选择性激发。量子逻辑运算是由矩形射频脉冲实现的。这种架构是可扩展的，并且不需要制造纳米级电子门。如本文所示，量子协议的参数可以推导出解析，即使是一台计算机与大量的量子位使用我们的微扰方法。我们提出的协议初始化的核自旋和协议创建纠缠。所有的分析结果进行了测试，使用两个量子比特系统的数值。
2005-12-21 quant-ph
Review: Towards Spintronic Quantum Technologies with Dopants in Silicon
晶体硅中的掺杂剂如磷（Si：P）具有电子和核自旋，其具有特别长的相干时间，使其成为量子计算和量子传感的有前途的平台。单自旋单次读出的演示使这些想法更接近实现。利用扫描隧道显微镜制造原子级Si：P结构的进展提供了一个强大的途径来扩大这项工作，利用计算机行业开发的技术。这一新兴的量子技术的实验和理论方面的审查，重点是从2009年到2014年中期。
2014-08-06 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Room temperature donor incorporation for quantum devices: arsine on germanium
锗已成为自旋电子学和量子信息应用中非常有前途的材料，与硅相比具有显著的基本优势。然而，使用施主原子作为量子比特来创建原子级器件的努力主要集中在硅中的磷上。以原子级精度在硅中定位磷需要热结合退火，但该步骤的低成功率已被证明是阻止按比例放大到大规模器件的基本限制。在这里，我们提出了一个全面的研究砷（AsH $_3$）的锗（001）表面。我们表明，与任何以前研究的硅或锗掺杂剂前体，砷原子完全纳入替代表面晶格在室温下的网站。我们的研究结果为下一代原子级施主器件铺平了道路，该器件将锗的优越电子特性与砷化氢/锗化学的增强特性相结合，有望扩大到大量确定性放置的量子位。
2022-03-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Two-spin relaxation of P-dimers in Silicon
我们研究了硅中施主束缚电子的双电子单重态-三重态弛豫。电子与磷（P）核的超精细相互作用，结合电子-声子相互作用，导致三重态的弛豫。在Heitler-London和有效质量近似下，我们计算了外加磁场存在下的三重态弛豫率。这种弛豫机制影响当前P-二聚体的电子自旋共振（ESR）实验中的共振峰。此外，自旋衰变的估计时间尺度为在基于供体自旋的量子计算机（QC）中执行容错双量子比特操作所需的门脉冲设定了上限。
2010-10-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Inductive measurement of optically hyperpolarized phosphorous donor nuclei in an isotopically-enriched silicon-28 crystal
我们在实验上证明了在同位素富集的硅-28晶体中的光学超极化磷-31供体核自旋的感应读出。晶体中磷供体的浓度为1.5 × 10 $^{15}$ cm $^{-3}$，比先前通过直接感应检测检测到的低三个数量级。在来自1 cm $^3$样品（$\approx 10^{15}$自旋）的单个自由感应衰减中测量的信噪比为113。通过将样品转移到X波段ESR谱仪，我们能够获得在1.7 K的64%的核自旋极化的下限。在1.7 K下，用Hahn回波序列测量的$^{31}$ P-T $_{2}$为420 ms，用Carr Purcell循环将其延长至1.2 s。$^{31}$ P核自旋在1.7 K时的T $_1$非常长，无法确定，因为即使在4.5小时的时间尺度上也没有观察到衰变。用1047 nm激光器进行光激发，其提供硅的带隙以上激发。在4.2 K下的超极化的建立遵循单指数的特征时间为577 s，而在1.7 K下的建立表现出双指数行为的特征时间常数为578 s和5670 s。
2014-12-12 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Fast noise-resistant control of donor nuclear spin qubits in silicon
高度的可控性和长的相干时间使得同位素纯化硅中的磷施主的核自旋成为量子比特的有希望的候选者。然而，长距离的双量子位耦合和快速，鲁棒的门仍然是这些系统的突出挑战。在这里，根据最近提出的通过偶极-偶极相互作用进行长距离耦合的建议，我们提出了一种简单的方法，在没有电荷噪声的情况下实现快速，高保真的任意单量子位和双量子位门。此外，我们还提供了一种方法，使单量子位门对中等水平的电荷噪声具有鲁棒性，并且完全在$10^{-3}$的误差范围内。
2020-05-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Electron spin decoherence in isotope-enriched silicon
硅在基于自旋的量子计算中很有前途，因为核自旋是磁噪声的来源，可以通过同位素富集来消除。在同位素富集的硅中已经测量到长自旋退相干时间$T_2$，但远低于$T_2 = 2 T_1$极限。核自旋对$T_2$的影响已得到充分证实。然而，来自硅中一直存在的残余磷杂质的背景电子自旋的影响也可以产生显著的退相干。我们研究自旋退相干衰减作为施主浓度，$^{29}$ Si浓度，和温度的函数，使用专门适用于稀疏偶极耦合电子自旋浴的问题的集群扩展技术。我们的研究结果与现有的实验自旋回波数据在Si：P和建立的重要性，背景掺杂剂作为最终的退相干机制同位素富集硅。
2010-10-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
Impact of measurement backaction on nuclear spin qubits in silicon
本文基于主方程方法研究了电子介导的测量反作用对硅中磷施主核自旋量子比特寿命的影响，发现多施主量子比特特有的核自旋翻转机制可通过超精细斯塔克位移有效抑制，从而实现比单施主更长的核自旋寿命。
2023-10-19 quant-ph
Bell's inequality violation with spins in silicon
贝尔定理严格证明了纠缠量子态的存在，而没有经典的对应物，从而在经典和量子领域之间建立了一个界限。贝尔不等式的实验违反要求同时在多体量子纠缠态的制备，操作和测量的高精度。由于这个原因，贝尔信号被标记为量子计算设备性能的单一数字基准。在这里，我们展示了确定性的，按需生成的两个量子比特纠缠态的电子和核自旋的一个磷原子嵌入在硅纳米电子器件。通过顺序读取电子和原子核，我们发现这些纠缠态违反了Bell/CHSH不等式，Bell信号为2.50（10）。通过将两个量子比特状态的奇偶性映射到核自旋上，可以获得更高的值2.70（9），这允许对奇偶性进行高保真量子非破坏测量（QND）。此外，我们还利用QND测量对贝尔不等式式纠缠见证进行了补充，得到了与目标最大纠缠Bell态匹配的态，其保真度为$>$ 96%.这些实验证明了对磷原子的两量子比特希尔伯特空间的完全控制，并表明该系统能够在单量子比特状态下保持其同时高的初始化，操纵和测量精度。
2015-04-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Robust two-qubit gates for donors in silicon controlled by hyperfine interactions
我们提出了两种策略，用于对硅中磷供体的交换耦合对的电子自旋进行双量子比特操作，使用将供体核自旋设置在任意状态的能力。当$^{31}$ P核处于相反的自旋态时，超精细相互作用提供了两个电子量子比特的有效磁失谐。这可以被利用来开启和关闭SWAP操作，其中适度地调节电子交换相互作用。此外，超精细失谐实现了基于选择性共振激发的高保真条件旋转门。后者根本不需要动态调整交换相互作用，并且提供了一个非常有吸引力的方案来在现实的实验条件下实现两个量子位逻辑门。
2013-12-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
An 11-qubit atom processor in silicon
本文展示了一个由两个多核自旋寄存器通过电子交换耦合的11量子比特硅基原子处理器，实现了99.5%至99.99%的门保真度和超99%的贝尔态保真度，为容错量子计算奠定基础。
2025-06-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
High-field Overhauser DNP in silicon below the metal-insulator transition
单晶硅是探索动态核极化（DNP）的优秀系统，因为它表现出作为掺杂浓度和温度的函数的从金属到绝缘的连续性质。在低掺杂浓度下，已经观察到DNP通过固体效应发生，而在非常高的掺杂浓度下，奥弗豪泽机制负责。在这里，我们报告了n型掺杂硅晶体中29 Si的超极化，掺杂浓度范围为1-3 x 10^17 /cc。在这种制度下，捐助者之间的交流互动变得极其重要。在我们的实验中的增强的迹象和它的频率依赖性表明，29 Si的自旋直接极化的施主电子通过交换耦合施主集群内的Overhauser机制。供体之间的交换相互作用仅需要大于硅超精细相互作用（通常比供体超精细耦合小得多）以实现该奥弗豪瑟机制。核极化增强观察到的范围内的捐助者集群中的交换能量是可比的捐助者超精细相互作用。的DNP动力学的特征在于由一个单一的指数时间常数，取决于微波功率，表明Overhauser机制是限速步骤。由于只有大约2%的硅核位于施主电子的一个玻尔半径内，核自旋扩散在将极化转移到所有自旋中是重要的。然而，由于相对较弱的硅超精细耦合强度，自旋扩散时间比奥弗豪瑟时间短得多。在2.35 T磁场和1.1 K下，我们观察到微波辐射两小时后$244 +/- 84 resulting in a silicon polarization of $ 10.4 +/-3.4%的DNP增强.
2011-09-08 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Full configuration interaction simulations of exchange-coupled donors in silicon using multi-valley effective mass theory
硅中施主自旋的相干时间和单量子比特门的量子效率都达到了创纪录的水平。开发的下一阶段涉及展示高保真双量子位逻辑门，其中最自然的耦合是交换相互作用。为了帮助可扩展的基于施主的量子处理器的有效设计，我们使用多谷有效质量理论中的全组态相互作用方法来建模双电子波函数。我们利用我们的代码的高计算效率，调查交换相互作用，谷人口，和电子密度为两个磷施主在广泛的晶格位置，方向，并作为一个功能的应用电场。结果通过交互式图像可视化，其中可以扫描供体位置，同时观察谷和轨道组件相应地演变。我们的研究结果提供了一个物理上直观和定量准确的理解的位置和调谐标准，以实现高保真度的两个量子位门与硅中的施主。
2020-12-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Silicon quantum processor with robust long-distance qubit couplings
实用的量子计算机需要构建一个由高度相干的量子比特组成的大型网络，这些量子比特在设计上相互连接，对错误具有鲁棒性。硅中的施主自旋提供了最先进的相干性和量子门相干性，在一个物理平台上，从工业半导体处理。在这里，我们提出了一种可扩展的硅量子处理器设计，不需要精确的施主位置，并允许数百纳米的量子位间距，因此便于使用当前技术制造。所有的量子位操作都是通过电子手段在磷供体的电子核自旋态上进行的。单量子比特门在微波频率下使用低功率电驱动，而快速双量子比特门利用电偶极-偶极相互作用。微波谐振器允许毫米距离的纠缠和与光子链路的接口。甜蜜点保护量子位免受高达二阶的电荷噪声的影响，这意味着即使没有任何主动噪声消除技术，也可以在低于量子纠错阈值的错误率下执行所有操作。
2017-03-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Electric-dipole-induced nuclear electric resonance in silicon
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；International Quantum Academy（国际量子科学院）
本研究理论提出借助超精细相互作用与磁场梯度，在硅中实现电偶极诱导核电共振（EDNER），其强度优于核磁共振，可降低核自旋对电噪声的敏感性，为硅基量子计算提供全电学可寻址控制方案。
2026-10-14 cond-mat.mes-hall quant-ph
Addressable electron spin resonance using donors and donor molecules in silicon
硅中的磷施主杂质由于其异常长的相干时间和高的结晶度而成为固态量子计算的有希望的候选者。然而，具有约15 nm间隔的交换耦合供体量子位的个体可寻址性是具有挑战性的。在这里，我们表明，通过使用原子精度光刻，我们可以将单个P供体放置在相距16（+/-1）nm的2 P分子旁边，并使用它们独特的超精细耦合强度来寻址具有截然不同共振频率的量子位。特别是，单个供体产生两个相隔97（+/-2.5）MHz的超精细峰，而供体分子则表现出相隔262（+/-10）MHz的三个峰。原子紧束缚模拟证实了2 P分子中的大的超精细相互作用强度，其中供体间间隔为~0.7nm，与器件制造期间2 P位点的光刻STM图像一致。我们讨论了在硅中使用施主分子的电子自旋量子位的内置寻址能力的可行性。
2018-07-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
Electron Spin Resonance of P Donors in Isotopically Purified Si Detected by Contactless Photoconductivity
用标准的Hahn回波技术，在[P] $ = 10^{14}$ cm $^{-3}$的同位素纯硅中，在温度为$\leq 4 $ K时，测量了与磷施主结合的电子自旋的相干时间达20 ms。虽然这样的时间对于固态中的电子自旋来说特别长，但是它们仍然受到施主电子自旋-自旋相互作用的限制。抑制这种相互作用需要甚至更低的供体浓度，其低于典型电子自旋共振（ESR）光谱仪的检测极限。在这里，我们描述了一种替代的方法磷供体ESR检测，利用由光学供体束缚激子跃迁提供的自旋-电荷转换。我们介绍了该方法及其对激光功率的依赖性，并用它来测量迄今为止生长的最纯的硅样品之一（[P] $ = 5\times 10^{11} $ cm $^{-3}$）的$T_2 = 130 $ ms的相干时间。然后，我们使用供体束缚激子跃迁的替代应用对该结果进行基准测试：在1.7~K下对具有[P] $ = 4\times10^{12} $ cm $^{-3}$的样品使用常规ESR检测之前，对供体自旋进行光学偏振，并在这种情况下测量350 ms的$T_2$。
2020-12-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
High-fidelity readout and control of a nuclear spin qubit in silicon
单个核自旋有望成为长寿的量子比特或量子存储器，具有容错量子计算所需的高性能。我们在这里表明，这样的承诺可以通过硅纳米结构中的单个磷（31 P）核自旋来实现。通过将电子自旋的单次读出与片上电子自旋共振相结合，我们证明了核自旋的量子非破坏性电单次读出，读出保真度优于99.8% -这是任何固态量子位的最高值。然后通过施加相干射频（RF）脉冲将单个核自旋作为量子比特操作。对于电离的31 P施主，我们发现核自旋相干时间为60 ms，1-量子位门控保真度超过98%。这些结果表明，现代电子学的主导技术可以适用于托管基于核自旋的量子信息处理的完整电测量和控制平台。
2013-02-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Grover's algorithm in a four-qubit silicon processor above the fault-tolerant threshold
研究使用四比特硅处理器实现所有操作均超容错阈值，通过演示找到标记状态概率约95%的 Grover 算法，并实现96.2%保真度的三比特GHZ态，为大规模容错量子处理器奠定基础。
2025-03-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
Scalable Spin Qubit Architecture with Donor-Cluster Arrays in Silicon
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；International Quantum Academy（国际量子研究院）；Shenzhen Branch, Hefei National Laboratory（合肥国家实验室深圳分部）
该研究提出一种基于二维供体簇阵列的硅自旋量子位架构，通过共享束缚电子实现多供体地址化，利用可调交换相互作用实现局部全连接，并展示出高保真度的多量子位操作及量子纠错能力。
2026-05-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Analysis of quantum coherence in bismuth-doped silicon: a system of strongly coupled spin qubits
人们越来越关注铋掺杂硅（Si：Bi）作为使用磷掺杂硅（Si：P）的基于硅的量子信息处理（QIP）的充分研究的提议的替代物。在这里，我们专注于其强烈的超精细耦合的影响。特别是，我们详细分析的制度，最近的脉冲磁共振实验已经证明了潜在的数量级加速在量子门利用电子顺磁共振（EPR）禁止在高场的过渡。我们还提出了计算使用的现象学马尔可夫模型的电子自旋的退相干由于高斯时间磁场扰动的主方程。该模型量化了被识别为$df/dB=0$区域的某些“最佳工作点”的优点，其中$f$是过渡频率，其以频率最小值和最大值的形式出现。我们表明，在这样的区域，由于电子自旋的相互作用，在$z$方向（通常是绝热）的波动磁场的退相被完全删除。
2012-07-04 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph quant-ph
A Computational Workflow for Designing Silicon Donor Qubits
开发能够可靠、准确地演示叠加和纠缠原理的设备是量子计算界面临的一个持续挑战。建模和仿真提供了测试早期器件设计和建立操作性能预期的有吸引力的方法。然而，量子器件设计所需的复杂集成材料系统无法通过任何单一的现有计算建模方法来捕获。我们研究了多阶段计算工作流程的开发和分析，该工作流程可用于设计和表征硅施主量子比特系统，并进行建模和仿真。我们的方法集成了量子计算化学计算与静电场求解器进行详细的模拟硅中的磷掺杂剂。我们展示了如何原子的细节可以合成到一个操作模型的逻辑门，定义量子计算在这个特定的技术。由此产生的计算工作流程实现了硅施主量子位的设计工具，可以帮助验证和验证当前和近期的实验设备。
2016-08-04 cond-mat.mes-hall cs.ET quant-ph
A single-atom quantum memory in silicon
长的相干时间和快速的门操作是可取的，但往往相互冲突的物理量子位的要求。这种冲突可以通过采用快速量子比特进行操作，并在空闲时将其状态存储在“量子存储器”中来解决。硅中的$^{31}$ P施主自然配备了一个快速量子位（电子自旋）和一个长寿命量子位（$^{31}$ P核自旋），在低温下以束缚态共存。在这里，我们展示了存储和检索的量子信息从一个单一的施主电子自旋其主机磷核同位素富集$^{28}$硅。通过状态和过程层析成像表征存储器过程的保真度。我们报告的整体过程保真度为$F_p =$ 81 ${\pm}$ 7%，存储器保真度（$F_m$）超过90%，存储器存储时间高达80 ms。这些值是有限的高功率射频脉冲后的电子自旋共振频率的瞬态位移。
2016-09-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum theory of spectral diffusion induced electron spin decoherence
利用量子集团展开方法研究了晶格核自旋偶极涨落引起的局域电子自旋退相干问题。在最低阶，它提供了一个微观的解释哈恩回波的洛伦兹扩散，而不诉诸任何现象学的马尔可夫假设。我们的数值计算结果与最近的电子自旋回波实验在磷掺杂硅显着一致。
2005-10-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Robust electric dipole transition at microwave frequencies for nuclear spin qubits in silicon
在同位素富集的硅-28中，磷施主（$^{31}$ P）的核自旋态是固态存储量子信息的优良宿主。自旋对电场的不敏感性产生了具有记录相干时间的固态量子比特，但也使得与其他量子系统的耦合非常具有挑战性。在这里，我们描述了如何产生一个强的电偶极子（$>100$德拜）在微波频率的核自旋。这是通过对施主束缚电子的自旋施加磁驱动，同时用电场控制其电荷状态来实现的。在某些条件下，微波磁驱动还使得核自旋共振频率和电偶极子对电噪声强烈不敏感，产生长（$>1$ ms）的退相时间和稳健的门操作。然后，核自旋可以与微波谐振器强耦合，真空拉比分裂为1 MHz，或者通过强电偶极-偶极相互作用与其他核自旋耦合，几乎相隔半微米。这项工作将$^{31}$ P核量子位带入混合量子系统的领域，并为量子信息处理开辟了新的途径。
2018-08-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optical addressing of an individual erbium ion in silicon
固体中与单个缺陷相关的电子自旋的检测是当前正在开发的一系列量子信息和测量应用的关键操作。到目前为止，它只完成了两个中心的晶体固体：磷在硅中使用基于单电子晶体管（SET）的电读出和金刚石中的氮空位中心使用光学读出。电读出和光学读出都证明了大约90%的自旋读出保真度，然而，电读出的热限制和光学读出的差的光子收集效率阻碍了实现量子信息应用所需的高保真度。在这里，我们展示了一种混合的方法，使用光激发，以改变电荷状态的缺陷中心在硅基SET，其自旋状态的条件下，然后检测这种变化电。高光谱分辨率的光频寻址克服了以往电读出的热展宽限制，电荷传感避免了有效收集光子的困难。这是用硅中的铒完成的，并且有可能为量子信息处理设备启用新的架构，并显着增加可以利用的缺陷中心的范围。此外，硅中单个位点的光激发的有效电检测是开发硅与基于光学的量子计算技术之间的互连的主要步骤。
2013-04-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum entanglement and spin control in silicon nanocrystal
选择性的相干控制和电介导的交换耦合的三重态和单重态之间的单电子自旋的质子脉冲的数值导出的最佳控制演示。我们得到了质子自旋链半高宽在玻尔半径以下的空间限制。通过质子诱导发射和能壳层布居的控制，分析了纯29 Si单晶中单个自旋的精确操纵和电子自旋态的极化。为了避免横向激发，在29 Si轴向通道排列的横向和角相空间中映射了通道质子轨道的纠缠量子态。通过离散对角元和最近的非对角元，在单粒子密度矩阵中表征了质子密度和质子能量作为碰撞参量的函数。我们结合高场和低密度（1 MeV/92 nm），通过将超极化质子自旋链与29 Si的电子自旋叠加，产生了不可分离的量子态。采用质子运动方程的数值解，通过蒙特卡罗模拟方法对态密度（DOS）进行量子离散化。通过连续调制单个自旋的相位和振幅，得到高斯相干态的分布。获得的结果允许精确的工程和忠实的自旋状态映射。这将为可扩展的量子通信网络提供有效的量子密钥分发（QKD）和量子信息在量子存储中心之间的远程传输。此外，所获得的结果给出的见解，在应用中的通道质子亚原子显微镜作为一个完整的多功能的扫描探针系统，能够量子工程的带电粒子状态和表征的量子态低于衍射极限的线性和深入的分辨率。
2012-10-16 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph quant-ph
Spin quantum computation in silicon nanostructures
提出的硅基量子计算机架构已经引起了人们的关注，因为它们的可扩展性和协同利用与现有Si技术基础设施相关的可用资源的潜力。硅中浅施主（例如磷）的电子和核自旋是量子位的理想候选者，因为它们与环境的相互作用有限，自旋相干时间长。对于这些自旋量子位，浅施主交换门经常被调用来执行两个量子位操作。在这篇综述中，我们讨论了一个特别重要的自旋退相干通道，以及带结构对交换门控制的影响。具体来说，我们回顾了我们的工作，由于背景核自旋触发器的施主电子自旋光谱扩散，以及如何同位素纯化硅可以显着提高电子自旋退相时间。然后，我们审查我们的计算中存在的简并硅导带谷的施主电子交换耦合。我们发现，谷干扰导致的数量级变化时，电子交换耦合的施主配置在原子尺度上改变。这些研究说明了硅中施主电子/核自旋作为量子比特候选者的巨大潜力，同时也说明了它们带来的巨大挑战。特别是，我们的工作通过光谱扩散的自旋退相干点同位素纯化在可扩展的固态量子计算机架构的制造中的可能的重要性。我们还提供了一个关键的比较两个主要的建议自旋为基础的固态量子计算机架构，即浅施主束缚态的Si和本地化的量子点状态的GaAs。
2004-11-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
An exchange-based surface-code quantum computer architecture in silicon
硅中的磷施主自旋为实现鲁棒量子比特提供了许多有前途的特性。在用于按比例放大的各种概念中，共享控制概念利用3D扫描隧道显微镜（STM）制造技术来最小化控制线的数量，从而允许将施主放置在$\geq$ 30 nm的节距极限处，从而实现偶极相互作用。一个根本的挑战是利用更快的交换相互作用，然而，所需的供体间距通常为15 nm或更小，并且交换相互作用对供体放置中的晶格位置变化非常敏感。这项工作提出了一个快速交换为基础的表面码量子计算机架构，明确解决了施主放置不精确的原子精度的制造技术和严格的量子比特间距的要求。通过引入中间供体作为交换相互作用开关来扩展有效间距。我们认为这两个全球性的控制方案和预定的一系列操作，通过设计GRAPE脉冲为个人hocTs的基础上预测的原子紧束缚模拟耦合的情况。该架构与现有的制造能力兼容，并可作为基于硅中施主杂质的全尺寸容错量子计算机的实验实现的蓝图。
2021-07-26 cond-mat.mes-hall physics.comp-ph quant-ph
Multivalley effective mass theory simulation of donors in silicon
去年，Salfi等人首次对供体波函数进行了直接测量，并发现与原子紧束缚非常好的理论一致性[Salfi等人，Nat.板牙. 13，605（2014）]。在这里，我们表明，多谷有效质量理论，适当地应用，并实现紧密结合的协议，从而提供可靠的预测。为了证明这一点，我们变分求解耦合六谷Shindo-Nara方程，包括硅的完整Bloch函数。令人惊讶的是，我们发现，包括完整的布洛赫函数需要一个四面体，而不是球形，施主中心电池校正，以准确地再现实验的能谱的磷杂质在硅中。我们交叉验证这种方法对原子紧束缚计算，表明这两种理论吻合良好的施主-施主隧道耦合的计算。此外，我们基准我们的结果进行统计不确定性分析，确认导出量，如波函数配置文件和隧道耦合是强大的相对于变化的能量波动。最后，我们采用这种方法来穷举隧道耦合的所有捐助者-捐助者配置在一个大的搜索量，最终证明隧道耦合没有空间稳定区域。虽然这种不稳定性对于可靠地耦合两个量子位操作的供体对是有问题的，但我们确定了可以使用扫描隧道显微镜技术放置供体量子位的特定目标位置，以实现可靠的大隧道耦合。
2015-11-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
Single-shot readout of an electron spin in silicon
微电子器件中使用的硅晶体管的尺寸正在缩小到量子效应变得重要的程度。虽然这对微处理器的进一步扩展提出了重大挑战，但它为基于自旋的量子计算机和自旋电子器件的形式提供了根本性创新的潜力。Si中的电子自旋可以表示具有长相干时间的良好隔离的量子比特，这是因为弱的自旋-轨道耦合以及从体晶体中消除核自旋的可能性。然而，Si中单个电子的控制已被证明具有挑战性，并且迄今为止阻碍了对单个自旋的观察和操纵。在这里，我们报告的第一个演示的单次拍摄，时间分辨读出的电子自旋在硅。这已经在由耦合到与当前微电子技术兼容的金属氧化物半导体单电子晶体管的注入磷供体组成的设备中执行。在低于2 T的磁场下，我们观察到自旋寿命接近1秒，并且自旋读出保真度优于90%。硅中的高保真单次自旋读出为新一代量子计算和自旋电子器件的开发开辟了道路，这些器件使用半导体行业中最重要的材料制造。
2010-05-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum theory for electron spin decoherence induced by nuclear spin dynamics in semiconductor quantum computer architectures: Spectral diffusion of localized electron spins in the nuclear solid-state environment
我们考虑了半导体量子计算机体系结构中单个局域电子自旋由于耦合到晶格核自旋浴而产生的退相干。在低温和外加磁场的情况下，主要的退相干机制是电子自旋共振频率的谱扩散，这是由于偶极相互作用引起的自旋对触发器产生的随机磁场引起的.由于这种随机磁场，电子自旋退相复杂地依赖于核自旋池的量子动力学，使得耦合退相干问题难以解决。我们提供了一个正式的精确解决方案，这个非马尔可夫量子退相干问题，数值计算准确的自旋退相干在短时间内，这是特别相关的固态自旋量子计算机架构。发展了一种量子集团展开方法，并对该方法进行了验证。该方法具有足够的通用性，可能应用于其他类型的自旋退相干问题。我们提出的数值计算结果是在定量协议与电子自旋回波测量磷掺杂硅。我们还提出了自旋回波衰减结果的量子点在GaAs中的磷掺杂的硅系统的定性不同。我们的理论结果提供了在可扩展的半导体量子计算机架构中，在低温和中至高磁场下，半导体中局域电子的自旋相干性（至少，如哈恩自旋回波测量所表征的那样）的最终极限。
2006-07-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Momentum-space imaging of ultra-thin electron liquids in delta-doped silicon
该研究利用软X射线角分辨光电子能谱对硅中埋层δ掺杂二维电子液体进行动量空间成像，直接表征其极薄、高密度导带限制，并证明砷δ层优于磷δ层。
2023-09-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
