Conditional control of donor nuclear spins in silicon using Stark shifts
电场可用于使用斯塔克位移来调谐硅中的施体自旋，由此施体电子波函数被电场移位，从而修改电子自旋与施体核自旋之间的超精细耦合。我们提出了一种技术的基础上动态去耦的电子自旋，以准确地确定斯塔克位移，并说明这一点，使用同位素纯化的硅-28锑供体。然后，我们展示了两种不同的方法，使用直流电场结合应用共振射频（RF）场有条件地控制供体核自旋。第一种方法结合了电场诱导的条件相位门与标准RF脉冲，第二种方法简单地使自旋失谐。最后，我们考虑不同的策略来减少电场不均匀性的影响并获得90%以上的工艺保真度。
2014-05-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nuclear magnetic resonance spectrum of 31P donors in silicon quantum computer
得到了硅量子计算机栅势产生的电场对超精细相互作用常数（HIC）的影响。计算了由于工艺误差引起的栅下施主原子位置误差。计算了不同HIC值下两施主原子相互作用的电子-核自旋系统的能谱。的存在下，两对反交叉水平的基态电子状态。找到了误差率可以大大降低的结构参数。
2000-12-01 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
Linear hyperfine tuning of donor spins in silicon using hydrostatic strain
我们的实验研究的耦合硅中的V族施主自旋的机械应变，并测量应变引起的频率偏移是线性的应变，在对比的二次依赖预测的谷再布居模型（VRM），因此数量级大于预测的VRM为小应变$|\varepsilon| < 10^{-5}$。通过紧束缚和第一性原理计算，我们发现，这些变化产生于线性调谐的捐助者超精细相互作用项的流体静力学应变分量，并实现半定量的协议与实验值。我们的研究结果为定量预测硅纳米结构中的施主自旋提供了一个框架，例如用于开发硅基量子处理器和存储器的那些。我们测量的强自旋-应变耦合（高达150 GHz每应变，为Si中的Bi施主），提供了一种施主自旋调谐的方法-在一个线宽上用$10^{-6}$级的流体静力学应变移动Bi施主电子自旋-以及耦合到机械谐振器的机会。
2018-03-23 cond-mat.mes-hall 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
Deterministic preparation of Dicke states of donor nuclear spins in silicon by cooperative pumping
对于硅中的施主核自旋，我们展示了如何确定性地制备各种对称和不对称的Dicke态，这些态跨越了多体希尔伯特空间的完整基。态的制备是通过耦合施主电子对核自旋的合作泵浦来实现的，并且所需的控制是在量子计算的原型凯恩建议的原位。该方案仅需要亚千兆赫的施主交换耦合，无需原子级精确的施主放置即可实现，因此它提供了一种利用现有技术制备硅中自旋多体纠缠的实用方法。所有期望的Dicke状态在各种泵送情况下都表现为稳态，因此制备是稳健的，并且不需要精确的时间控制。数值模拟结果表明，在存在退相干和不需要的动力学的情况下，可以制备出10-20量子比特的Dicke态。
2012-04-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Valley-enhanced fast relaxation of gate-controlled donor qubits in silicon
界面附近施主电子的栅极控制是基于施主的量子计算的一般成分。在这里，我们解决的问题：如何声子辅助量子位弛豫时间$T_1$的电子之间的施主和界面穿梭的影响？我们专注于“触发器量子位”的例子[Tosi等人，arXiv：1509.08538v1]，定义为硅中磷供体的核态和电子态的组合，当电子在供体和界面之间的中途时，有望实现快速的电控制和长的退相时间。我们从理论上描述了轨道弛豫，触发器弛豫和电子自旋弛豫。我们估计触发器量子位弛豫时间可以是$100 \, μ\text{s}$的量级，比体硅中的施主电子的值短8个数量级，并且比预测的非均匀退相时间（门时间）短（长）几个数量级。所有这三个弛豫过程都受到（i）电子-声子相互作用的非平凡谷结构和（ii）所涉及的电子态的不同谷组成的推动。
2016-02-11 cond-mat.mes-hall 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
Automatic tuning of a donor in a silicon quantum device using machine learning
本文提出首个机器学习算法，可自动定位硅器件中离子注入施主的电荷跃迁、调谐单发电荷读出并识别对称隧穿栅压，实现数分钟级自动调谐，速度超越人类专家。
2025-11-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Silicon Donor Array as a Disordered One-Dimensional Electron Gas
硅中的施主现在可以以大约一个晶格常数的精度定位，使得在原则上可以形成用于量子计算或量子模拟应用的施主阵列。然而，硅导带的多谷特性与对施主态哈密顿量的中心单元校正相结合，以将施主位置中的原子尺度缺陷转化为强烈无序的施主间杂化。我们提出了一个简单的模型，能够准确地占中央单元校正，并使用它来评估捐助者的位置无序的影响，在巡回和本地化的限制上的捐助者阵列属性。
2021-05-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.quant-gas quant-ph
Measurement of enhanced spin-orbit coupling strength for donor-bound electron spins in silicon
该研究通过多施主量子点的多体波函数，将硅中施主束缚电子自旋的自旋-轨道耦合强度局部增强两个数量级以上，为利用EDSR实现全电控制提供了新途径。
2024-04-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Exchange coupling between silicon donors: the crucial role of the central cell and mass anisotropy
硅中的施主现在被证明是实现量子比特和量子信息处理的主要候选者之一。单量子位操作、测量和长相干时间已经牢固确立，但控制两个量子位相互作用的进展较慢。其中一个原因是，已经预测供体间交换耦合会随着分离而振荡，使得在器件设计中难以估计。本文提出了一个硅中施主对的多路有效质量理论，其中包括中心势和硅导带中固有的有效质量各向异性。我们能够准确地描述单施主性质的谷轨道耦合和施主波函数的空间范围，突出了拟合测量值的超精细耦合和轨道能量的$1s$水平的重要性。我们的框架很简单，可以灵活地应用于一系列实验场景，但它仍然能够提供快速可靠的预测。我们用它来估计两个施主电子之间的交换耦合，我们发现它的预期振荡的平滑，并预测如果两个施主精确地沿[100]方向间隔开的单调依赖于分离。
2014-07-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Opto-Electrical Detection of Donor Bound Excitons in Silicon-on-Insulator Substrate
University of Jyväskylä（于韦斯屈莱大学）；QuTech（奎泰克）；Netherlands Organisation for Applied Scientific Research (TNO)（荷兰应用科学研究组织）；Kavli Institute of Nanoscience, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学卡弗里纳米科学研究所）
本文在绝缘体上硅衬底上首次实现施主束缚激子的系综光电探测，利用俄歇复合产生电信号进行自旋读出，并观察到共振波长偏移和线宽展宽。
2026-09-15 cond-mat.mes-hall 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
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
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
Coherent coupling between a quantum dot and a donor in silicon
硅芯片中的单个施主被用作具有极低错误率的量子比特。然而，物理实现仅限于一个供体，因为它们的原子大小导致制造挑战。相比之下，量子点量子位使用电栅极电压是高度可调节的。这种可调节性可以被利用来确定性地将供体耦合到量子位阵列中的量子点。在这项工作中，我们证明了$^{31}$ P施主电子与金属氧化物半导体量子点的电子的相干相互作用。我们形成一个逻辑量子比特编码的自旋单重态和三重态的双电子系统。我们证明了施主核自旋通过接触超精细相互作用驱动电子量子比特态之间的相干旋转。这为紧凑的双电子自旋量子比特提供了每一个关键元素，只需要一个点，不需要额外的磁场梯度，以及与核自旋量子比特相互作用的手段。
2017-10-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Interaction of Strain and Nuclear Spins in Silicon: Quadrupolar Effects on Ionized Donors
硅中电离施主的核自旋由于其很长的相干时间而成为一种有趣的量子资源。然而，它们的完美隔离是有代价的，因为没有施主电子使得核自旋难以控制。我们证明，四极相互作用使我们能够有效地调整的核磁共振电离砷捐助者在硅通过应变和确定两个非零元素的S张量连接应变和电场梯度在这种材料中的$S_{11}=1.5\times10^{22}$ V/m $^2$和$S_{44}=6\times 10^{22}$ V/m $^2$。我们发现一个更强的好处动态解耦的相干性的过渡受到一阶四极位移比那些只受到二阶位移和讨论的应用程序的四极物理，包括机械驱动的磁共振，冷却的机械谐振器，应变介导的自旋耦合。
2016-04-07 cond-mat.mes-hall 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
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
Spin resonance linewidths of bismuth donors in silicon coupled to planar microresonators
硅中的铋施主自旋系综由于其超过秒的长相干时间而成为有希望的微波量子存储器的存储元件。操作有效的量子存储器需要实现自旋系综和合适的高品质因数共振器之间的临界耦合-这反过来又需要彻底理解相关自旋共振跃迁的线型，特别是考虑共振器本身对线加宽的影响。在这里，我们提出了脉冲电子自旋共振测量自然硅中的铋施主合奏，铌超导谐振器已被图案化。通过研究自旋跃迁的频率和领域的范围内，我们确定不同的线加宽机制，特别是那些可以通过在磁场不敏感的“时钟过渡”操作抑制。鉴于捐助者的浓度和谐振器在这里使用，我们测量的协同性$C\sim 0.2$，并根据我们的研究结果，我们讨论了一条路线，以实现单位协同性，所需的量子存储器。
2020-11-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optical Control of Donor Spin Qubits in Silicon
我们展示了如何实现从硅中的V族施主（P，As，Sb，Bi）的基态到激发轨道态的光学、自旋选择性跃迁。我们考虑两种方法的基础上共振，远红外（IR）跃迁的中性供体或共振，近红外激子跃迁。对于远红外光，我们计算的偶极矩阵元素之间的谷轨道和自旋轨道分裂状态的所有第五族施主使用有效质量理论。然后，我们计算了通过圆偏振光的光泵浦所能达到的电子核自旋极化的最大速率和数量。我们发现这种方法是最有前途的Bi捐助者，由于其大的自旋轨道和谷轨道相互作用。使用近红外光，通过驱动从基态到具有偶宇称的更高轨道的双光子$Λ$跃迁，可以对所有供体进行自旋选择性激发。我们表明，外部施加的电场或应变允许类似的，自旋选择性的$Λ$过渡到奇宇称激发态。我们预计这些结果将是有用的捐助者，量子控制和捐助者自旋量子比特的状态准备，并为发展捐助者自旋量子比特和单光子之间的相干接口未来的光谱研究。
2015-10-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optomechanical quantum bus for donor spins in silicon
University of Jyväskylä（于韦斯屈莱大学）；University of Turku（图尔库大学）
本研究提出利用硅基光学机械结构实现供体自旋的量子总线，实现高保真度双量子比特门和电信波长光学读取。
2026-01-15 cond-mat.mes-hall quant-ph
High Fidelity Single-Shot Singlet-Triplet Readout of Precision Placed Donors in Silicon
在这项工作中，我们进行直接单次读出的单重态，三重态的交换耦合电子限制在硅中的精确放置的施主原子。我们的方法利用了由Pauli自旋阻塞的（2，0）三重态给出的大的能量分裂，由此我们可以实现98.4 $\pm$ 0.2%的单次读出保真度。我们测量的三重态负弛豫时间是在2.5 T的顺序为3秒，并观察到其预测的减少作为磁场的函数，达到0.5秒在1 T。
2018-07-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
An Addressable and Tunable Module for Donor-based Scalable Silicon Quantum Computing
针对施主自旋量子比特的可扩展性与可寻址性难题，提出一种表面码兼容的非对称模块架构，通过引入单个额外施主实现可调双量子比特门和可寻址单量子比特门，保真度超过容错阈值并抑制谷振荡。
2024-12-28 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
Conditional quantum operation of two exchange-coupled single-donor spin qubits in a MOS-compatible silicon device
硅纳米电子器件可以承载单量子位量子逻辑运算，保真度优于99.9%。对于通过离子注入引入硅中的与单个施主原子结合的电子的自旋，量子信息可以存储近1秒。然而，用这种方法制造可扩展的量子处理器被认为是具有挑战性的，因为介导量子位之间耦合的交换相互作用的指数灵敏度。在这里，我们证明了有条件的，相干控制的电子自旋量子位在交换耦合对$^{31}$ P施主注入硅。耦合强度，$J = 32.06 \pm 0.06$ MHz，测量光谱与前所未有的精度。由于耦合弱于使两个电子失谐的电子-核超精细耦合$A \approx 90$ MHz，因此可以通过简单的电子自旋共振脉冲获得原生双量子比特受控旋转门。该方案对$J$的精确值不敏感，这使得它适用于硅中基于供体的量子计算机的放大，该硅利用经典电子工业中常用的金属氧化物半导体制造协议。
2020-06-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Addressing spin transitions on 209Bi donors in silicon using circularly-polarized microwaves
在过去的十年中，同位素富集的$^{28}$ Si中的施主自旋量子比特由于其异常长的相干时间而得到了深入的研究。最近，铋施主电子自旋已经变得流行，因为Bi具有大的核自旋，这引起时钟跃迁（一阶对磁场噪声不敏感）。在每个时钟跃迁处，在四个不同的状态之间存在两个几乎简并的跃迁，其可以用作一对量子比特。在这里，它是实验证明，这些转换是由相反的螺旋微波激发，使它们可以选择性地通过不同的微波极化驱动。本工作采用超导共面波导（CPW）微谐振器和介质谐振器的组合，灵活地产生任意椭圆偏振，同时保持高灵敏度的CPW。
2016-01-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coupling and coherent electrical control of two dopants in a silicon nanowire
在固态系统中对单个原子或分子进行电控制，为将量子力学功能引入电子学提供了一种很有前途的方法。这个想法最近进入了硅技术的既定领域，导致了单原子晶体管的实现，并首次测量了单施主中的电子自旋动力学。在这里，我们表明，我们可以电耦合两个施主嵌入在一个多栅硅晶体管，并通过微波信号诱导其电荷态的相干振荡。我们测量了两个施主之间的单电子隧穿，这揭示了它们的能谱。最低的能量状态，对应于位于两个施主中的任一个上的单个电子，形成与所有其他电子能级分离的两能级系统（TLS）。这种TLS的千兆赫兹驱动导致与多达10个微波光子的吸收或受激发射相关的量子干涉图案。我们估计电荷退相时间为0.3纳秒，与其他类型的电荷量子比特一致。然而，这里，相对短的相干时间可以通过快速操作信号（原则上高达1太赫兹）来抵消，如分离施主原子中的基态和激发态的大的空能量窗口所允许的。所展示的两个施主的相干耦合构成了硅中基于施主的量子计算器件的重要一步。
2012-07-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
A Magnetic Resonance Force Microscopy Quantum Computer with Tellurium Donors in Silicon
提出了一种基于磁共振力显微镜（MRFM）的碲杂质硅核自旋量子计算机。这种量子计算的方法将成熟的硅技术与MRFM的预期进展相结合。
2000-03-18 quant-ph
Hyperfine Stark effect of shallow donors in silicon
我们提出了一个完整的理论处理的斯塔克效应在掺杂硅，其预测支持的实验测量。一个多谷有效质量理论，处理非微扰与谷轨道相互作用引起的施主依赖的中央电池的潜力，使我们能够获得一个非常可靠的图片的施主波函数在一个相对简单的框架。用一个新的试验波函数计算的1s施主结合能的变分优化，在赝势与两个拟合参数，允许实验确定的施主能级的准确匹配，而正确的限制行为的电子密度，无论是接近和远离每个杂质核，被捕获通过拟合测得的接触超精细耦合之间的施主核和电子自旋。我们继续包括一个外部均匀的电场，以模型斯塔克物理：没有额外的特设参数，变分最小化的完整的施主基态能量允许在每个杂质核的场诱导的电子密度的减少定量描述。与实验值的接触超精细耦合的位移的详细比较显示非常接近的协议，所有的捐助者测量（P，As，Sb和Bi）。最后，我们估计的施主基态的场电离阈值，从而设置上限的门操作时间为单量子位操作在凯恩类架构：硅：铋系统被证明允许A门快约10 MHz。
2014-08-19 cond-mat.mes-hall 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
Exchange in silicon-based quantum computer architecture
硅基量子计算机的提议是过去三年来人们强烈追求的想法之一。在这里，我们计算了硅和锗中的施主电子交换，并证明了Si（和Ge）中量子计算的原子尺度挑战，因为Si（Ge）中的六（4）个导带最小值导致谷间电子干扰，在双施主双电子态的交换分裂中产生强烈的振荡。因此，在单元格内以原子尺度精度定位供体成为决定交换耦合强度的决定性因素-这是硅基量子计算机中双量子位操作的基本成分。
2002-02-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
A Quantum Network of Silicon Qubits using Mid-Infrared Graphene Plasmons
我们考虑一个量子网络的中红外，石墨烯等离子体耦合到氢类激发态的V族施主在硅。首先，我们展示了如何使用等离子体增强的光-物质相互作用，通过光激发和电检测发射的等离子体来实现供体量子比特的单次自旋读出。然后，我们展示了如何在高迁移率石墨烯纳米带的等离子体激元可以用来实现高保真度，两个量子比特门和纠缠的远Si施主量子比特。所提出的器件容易与现有技术和制造方法兼容。
2014-07-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Kinetics of electron-phonon scattering in silicon resolved by Rydberg transitions of donors
Radboud University（拉德堡德大学）；Paul Scherrer Institute（保罗谢勒研究所）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；Institute of Space Research, German Aerospace Center (DLR)（德国航空航天中心空间研究所）；Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ)（莱布尼茨晶体生长研究所）；University of Iowa（爱荷华大学）；Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；University of Surrey（萨里大学）
本文通过里德伯跃迁研究硅中施主-声子动力学，结合形状因子和形变势理论，与自由电子激光实验对比，修正了导带最小值位置，为量子器件和经典电子学提供精确测量方法。
2026-06-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
Large Stark tuning of donor electron spin quantum bits in germanium
半导体中的施主电子自旋可以产生特殊的量子比特，因为它们的相干时间很长，而且与工业制造技术兼容。尽管基于施主的量子比特技术取得了许多进展，但选择性地操纵单个施主电子自旋仍然很困难。在这里，我们表明，通过用锗取代流行的半导体基质材料（硅），施主电子自旋量子比特可以通过超过系综线宽进行电调谐，使它们与门可寻址量子计算架构兼容。利用X波段脉冲电子自旋共振技术，测量了锗中施主电子自旋的斯塔克效应。我们解决了自旋轨道和超精细斯塔克位移，并发现在0.4 T，自旋轨道斯塔克位移占主导地位。自旋轨道斯塔克位移是高度各向异性的，取决于相对于晶轴的电场取向和外部磁场。当斯塔克位移最大化时，自旋轨道斯塔克参数比硅大四个数量级。在选择的取向超精细斯塔克效应也得到解决，是一个数量级大于硅。我们报告的斯塔克参数为$^{75}$作为和$^{31}$ P施主电子，并比较它们与现有的理论。我们的数据表明，锗中的$^{31}$ P施主可以被调谐至少四倍的系综线宽，使锗成为一种有吸引力的新的自旋量子位的主体材料，提供了比硅更大的优势。
2016-06-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Long-lived state of a helium-like magnesium donor in silicon
Institute for Physics of Microstructures of the Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院微结构物理研究所）；Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod（下诺夫哥罗德罗巴切夫斯基国立大学）；Ioffe Institute（约费研究所）；Institut für Kristallzüchtung (IKZ)（晶体生长研究所）
研究硅中氦-like镁供体正态态的弛豫机制，发现长寿命自旋三重态态，其弛豫由Orbach机制主导，激活能接近镁供体激发态的交换分裂能。
2026-01-08 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Improved placement precision of implanted donor spin qubits in silicon using molecule ions
本文提出用PF$_2^+$分子离子替代单原子进行确定性离子注入，以提高硅中P施主自旋量子比特的放置精度，并证明F在退火后远离有源区且量子比特相干性能保持优异。
2023-08-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optimal control of the silicon-based donor electron spin quantum computing
我们演示了如何梯度上升脉冲工程最优控制方法可以实现施主电子自旋量子位在硅半导体的架构互补的原始凯恩的建议。我们专注于高保真控制非（CNOT）门，并明确找到其数字化的控制序列，通过优化其保真度的超精细A和交换J相互作用的外部控制。这种高保真CNOT门的误差约为$10^{-6}$，低于容错量子计算所需的误差阈值，其100 ns的操作时间比所提出的全局控制方案的297 ns快约3倍。它也大大放宽了Kane提出的10~ 20 nm的两个相邻施主原子之间的距离限制，使其在30 nm左右，用现有的制造技术可以建立表面A和J门。讨论了控制电压波动、偶极-偶极相互作用和电子自旋退相干对CNOT门保真度的影响。
2009-06-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Shallow donor wavefunctions and donor-pair exchange in silicon: Ab initio theory and floating-phase Heitler-London approach
硅中浅施主的电子和核自旋是量子计算机中量子比特的有吸引力的候选者。浅施主交换门经常被调用来执行这种提议中的两个量子比特操作。本文采用密度泛函和赝势框架下的{ \it ab initio}计算方法，结合Si导带六个带边的全Bloch态，采用Kohn-Luttinger包络函数方法研究了Si中浅施主电子的性质.硅的导带边态之间的谷间干涉导致单电子束缚态电荷分布和双电子态交换耦合的振荡行为。施体电子电荷分布的行为受到来自Bloch函数的平面波和周期部分的干扰的强烈影响。对于两个捐助者，在海特勒-伦敦（HL）的方法内计算的交换耦合的振荡是由于单独的布洛赫函数的平面波部分，这是钉扎到杂质网站。该结果的鲁棒性通过放松对供体位点的相位钉扎来评估。我们介绍了一个更一般的理论方案，浮动相HL，从以前报道的施主交换振荡行为定性和定量证实。浮相形式主义提供了一个“假设”，即如何在理论上预测与更一般的限制势（如量子点）中的电子束缚态相关的电子特性中振荡行为的发生。
2004-11-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Zero field optical magnetic resonance study of phosphorus donors in 28-silicon
硅中的施主自旋是即将到来的固态量子技术中最有前途的量子位。富硅中磷供体的核自旋具有任何固态系统中最长的相干时间，以及接近~ 99.9%的同时量子位初始化，操纵和读出准确性。本文利用激光光谱和磁共振方法研究了硅中磷原子在“零”磁场作用下的自旋钟跃迁。我们表明，该系统可以光学超极化，并有~10秒哈恩回波相干时间，即使在地球的磁场和以下。
2018-01-31 quant-ph
Electron spin phase relaxation of phosphorus donors in nuclear spin enriched silicon
我们报道了在8K下测量的同位素纯化的29^Si和天然丰度Si单晶中与磷供体结合的电子自旋的相位弛豫的脉冲EPR研究。
2004-02-05 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Electrical detection of spin echoes for phosphorus donors in silicon
通过回波断层扫描的自旋回波的电检测被用来观察退相干过程与硅中的磷施主电子的自旋状态的SiO $_2$界面附近的电读出。使用Carr-Purcell脉冲序列，观察到具有$1.7\pm0.2 \rm{μs}$的时间常数的回波衰减，与供体和顺磁界面状态之间的相互作用的理论建模良好一致。因此，电自旋回波层析成像可用于研究实际自旋量子位器件中的自旋动力学，以进行量子信息处理。
2007-12-02 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
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
Strain effects on silicon donor exchange: Quantum computer architecture considerations
提出的基于硅的量子计算机架构已经引起了人们的关注，因为它们具有可扩展性的承诺以及协同利用与强大的Si技术的现有基础设施相关的可用资源的潜力。对供体（例如磷）交换的定量理解和精确的物理控制是所提出的基于Si的量子计算机硬件的物理基础中的关键要素。在这种情况下，一个重要的潜在问题是，谷间干扰起源于Si导带边缘的简并导致施主交换耦合的快速振荡，这对Si量子计算机架构施加了重大约束。在本文中，我们考虑的影响，外部应变Si施主交换的背景下，量子计算机硬件。我们研究单轴应变Si中的施主电子交换，因为应变部分地提升了体中的谷简并度。特别是，我们专注于交换耦合的晶格位置之间的施主位移的影响，调查是否谷间干扰造成的问题，在应变硅施主交换耦合少。我们表明，使用Kohn-Luttinger包络函数的方法，交换耦合的快速振荡确实消失的捐助者对，满足一定的条件，他们的相对位置，而在其他情况下，捐助者交换耦合仍然振荡，与周期接近原子间的间距。我们还评论了可控的外部应变在硅量子计算机架构的设计和制造中可能发挥的作用。
2001-12-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Extracting inter-dot tunnel couplings between few donor quantum dots in silicon
固态量子计算架构的长期缩放前景在很大程度上依赖于简单可靠地测量和控制相干电子相互作用强度的能力，该相干电子相互作用强度被称为隧道耦合$t_c$。在这里，我们描述了一种方法来提取的$t_c$之间的两个量子点（QD）利用其不同的隧道速率的水库。我们展示了几个施主三重量子点隧道耦合到附近的单电子晶体管（SET）在硅的技术。使用扫描隧道显微镜-氢光刻法图案化该装置，从而允许直接测量给定点间距离的隧道耦合。我们分别在相隔14.5 nm和14.0 nm的最近邻量子点之间提取${t}_{\rm{c}}=5.5\pm 1.8\;{\rm{GHz}}$和${t}_{\rm{c}}=2.2\pm 1.3\;{\rm{GHz}}$。该技术允许一个精确的测量$t_c$的纳米器件，即使它是小于电子温度，是一个理想的表征工具，多点系统与电荷传感器。
2016-06-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Multi-qubit gates protected by adiabaticity and dynamical decoupling applicable to donor qubits in silicon
我们提出了一种生产多量子比特门的策略，保证高保真度，最小的调谐要求。我们的策略结合了绝热定理的间隙保护与动态解耦的互补方式。为了避免简并状态并最大化间隙保护的好处，该方案最适合当存在两种不同类型的量子位（不相互谐振）时。此外，我们需要控制空间中的鲁棒操作点，其中量子位相互作用对噪声几乎不敏感。这允许我们规避阻止块盒动态校正门的No-Go定理[Phys.Rev.A80，032314（2009）]。我们展示了如何将我们的策略应用到Si中的P供体架构中，我们假设我们可以在不同的供体之间穿梭电子。电子自旋充当移动辅助量子位，P核自旋充当长寿命数据量子位。该系统可以具有非常鲁棒的操作点，其中电子自旋在二次斯塔克位移机制中与供体结合。高保真度单量子位门可以使用良好建立的全局磁共振脉冲序列来执行。单电子自旋的制备和测量也得到了证实。把这一切放在一起，我们提出了一个强大的通用量子计算门集。
2015-10-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Refocusing dipolar interactions between electronic spins of donors in silicon
我们注意到存在一组磁场值，其中一个简单的哈恩回波序列重新聚焦的动态的全偶极相互作用，为自旋系统的电子供体在硅。由于任意耦合强度和任意时间都会发生重新聚焦，这些偶极重新聚焦点（DRP）为调节纠缠提供了新的可能性，这是由于始终存在的自旋偶极相互作用。虽然在测量的热（非极化）自旋系综相干性中，DRP的实验效应将被强烈稀释，但我们研究了由瞬时扩散和直接触发器引起的退相干综合效应引起的相干性衰减中可能的特征
2014-12-08 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
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
The classical nature of nuclear spin noise near clock transitions of Bi donors in silicon
量子浴能否近似为经典噪声是中心自旋退相干的一个基本问题，也是设计抗噪声量子控制的一个重要实际问题。基于硅中铋施主的自旋量子比特与核自旋浴具有可调的相互作用，并且在所谓的时钟跃迁（CT）处对磁噪声一阶不敏感。因此，该系统是研究核自旋浴的量子/经典性质的理想选择，因为量子位-浴相互作用强度决定了浴上的反作用，从而决定了经典噪声模型的适当性。我们建立了一个高斯噪声模型，噪声关联由量子计算确定，并比较了经典噪声近似的全量子浴理论。我们通过多达128个脉冲的动态去耦序列实验测试我们的模型，发现与模拟和测量电子自旋相干时间接近一秒的良好一致性-特别是使用天然硅。我们的理论和实验研究表明，从核自旋浴的噪声是类似于经典的高斯噪声，如果量子比特的反作用的浴是小的内部浴动力学相比，是接近CT的情况下。然而，远离CT，中心自旋对浴的反作用是这样的，需要量子模型来精确地模拟自旋退相干。
2015-05-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
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
Quantum computation with doped silicon cavities
我们提出了一种量子计算机架构，涉及光子晶体硅腔中的替代施主，以及已经在离子阱和其他原子系统中证明的光学初始化，操纵和检测过程。我们的方案大大简化了硅基固态量子计算机成功运行的构建模块的实现，包括施主的定位，单量子位和双量子位门的实现，量子位的初始化和读出。使用相关参数的最新值对所涉及的过程进行详细考虑，表明这种架构可能会导致与可扩展量子计算兼容的每个门的错误。
2008-11-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
