硅量子点中s、p、d及f电子的相干自旋控制

一旦元素的周期性质被揭示，化学键便可依据原子的价态来理解。理想情况下，这一原理可延伸至常被称为人工原子的量子点，量子计算便可通过仅控制基于量子点的量子比特的外层电子来实现。半导体材料中的缺陷（包括原子尺度上的）破坏了原子与量子点之间的这种类比，以致真实器件很少展现如此系统的多电子排布。我们在此展示一个对无序具有鲁棒性的静电定义量子点，呈现出明确的壳层结构。我们观测到四个壳层（31个电子），其多重性由自旋与谷自由度给出。我们探索了由单个价电子构成的各种填充——即1、5、13与25个电子——作为潜在量子比特，并确定了在量子点上产生总自旋-1的填充。集成微磁体使我们能够进行电驱动自旋共振（EDSR）。更高壳层态被证明对驱动场更敏感，从而导致量子比特更快的Rabi旋转。我们研究了p壳层与d壳层电子的轨道激发对单量子比特的影响随量子点形变的变化。这使我们能够调谐量子点的激发谱并加以利用以实现更快的量子比特控制。此外，由这种可调能级结构产生的热点为快速自旋初始化提供了一条途径。自旋-1态的观测未来可被用于研究反铁磁自旋链中对称性保护的拓扑态及其在量子计算中的应用。