Влияние дефектов изготовления и электрических шумов на эволюцию зарядового кубита с оптическим управлением

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассматриваются полупроводниковые зарядовые кубиты на основе двойной квантовой точки, помещенные в оптический резонатор – дефект в фотонном кристалле, с учетом отклонений их параметров от заданных. Анализируются влияние топологического беспорядка в структуре фотонного кристалла на спектр резонатора и воздействие стохастического поля сторонних зарядов на состояние кубита. Указаны способы ослабления этих эффектов при управлении кубитом и пути оптимизации хранения его состояния.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Цуканов

НИЦ «Курчатовский институт»

Автор, ответственный за переписку.
Email: tsukanov@ftian.ru
Россия, Москва

И. Ю. Катеев

НИЦ «Курчатовский институт»

Email: ikateyev@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Dietrich C.P., Fiore A., Thompson M.G., Kamp M., Höfling S. GaAs integrated quantum photonics: Towards compact and multi-functional quantum photonic integrated circuits // Las. Photon. Rev. 2016. V. 10. P. 870.
  2. Kim J.-H., Aghaeimeibodi S., Carolan J., Englund D., Waks E. Hybrid integration methods for on-chip quantum photonics // Optica. 2020. V. 7. P. 291.
  3. Цуканов А.В., Катеев И.Ю. Квантовые вычисления на квантовых точках в полупроводниковых микрорезонаторах. Часть I. // Микроэлектроника. 2014. Т. 43. С. 323.
  4. Цуканов А.В., Катеев И.Ю. Квантовые вычисления на квантовых точках в полупроводниковых микрорезонаторах. Часть II. // Микроэлектроника. 2014. Т. 43. С. 403.
  5. Цуканов А.В., Катеев И.Ю. Квантовые вычисления на квантовых точках в полупроводниковых микрорезонаторах. Часть III. // Микроэлектроника. 2015. Т. 44. С. 79.
  6. Arrazola J.M., Bergholm V., Brádler K., Bromley T.R., Collins M.J., Dhand I., Fumagalli A., Gerrits T., Goussev A., Helt L.G., Hundal J., Isacsson T., Israel R.B., Izaac J., Jahangiri S., Janik R., Killoran N., Kumar S.P., Lavoie J., Lita A.E., Mahler D.H., Menotti M., Morrison B., Nam S.W., Neuhaus L., Qi H.Y., Quesada N., Repingon A., Sabapathy K.K., Schuld M., D. Su, Swinarton J., Száva A., Tan K., Tan P., Vaidya V.D., Vernon Z., Zabaneh Z., Zhang Y. Quantum circuits with many photons on a programmable nanophotonic chip // Nature. 2021. V. 591. P. 54.
  7. Strauf S., Rakher M.T., Carmeli I., Hennessy K., Meier C., Badolato A., DeDood M.J.A., Petroff P.M., Hu E.L., Gwinn E.G., Bouwmeester D. Frequency control of photonic crystal membrane resonators by monolayer deposition // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 88. P. 043116.
  8. Faraon A., Englund D., Fushman I., Vučković J. Local quantum dot tuning on photonic crystal chips // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. P. 213110.
  9. Grim J.Q., Bracker A.S., Zalalutdinov M., Carter S.G., Kozen A.C., Kim M., Kim C.S., Mlack J.T., Yakes M., Lee B., Gammon D. Scalable in operando strain tuning in nanophotonic waveguides enabling three-quantum-dot superradiance // Nat. Mater. 2019. V. 18. P. 963.
  10. Midolo L., Pagliano F., Hoang T.B., Xia T., van Otten F.W.M., Li L.H., Linfield E.H., Lermer M., Höfling S., Fiore A. Spontaneous emission control of single quantum dots by electromechanical tuning of a photonic crystal cavity // Appl. Phys. Lett. 2012. V. 101. P. 091106.
  11. Petruzzella M., Birindelli S., Pagliano F.M., Pellegrino D., Zobenica Z., Li L.H., Linfield E.H., Fiore A. Quantum photonic integrated circuits based on tunable dots and tunable cavities // APL Photonics. 2018. V. 3. P. 106103.
  12. Kim S., Lee J., Jeon H., Callard S., Seassal C., Song K.-D., Park H.-G. Simultaneous observation of extended and localized modes in compositional disordered photonic crystals // Phys. Rev. A. 2013. V. 88. P. 023804.
  13. Kwan K.C., Tao X.M., Peng G.D. Transition of lasing modes in disordered active photonic crystals // Opt. Lett. 2007. V. 32. P. 2720.
  14. Topolancik J., Vollmer F., Ilic B. Random high- Q cavities in disordered photonic crystal waveguides // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 91. P. 201102.
  15. Borri P., Langbein W., Woggon U. Exciton dephasing via phonon interactions in InAs quantum dots: Dependence on quantum confinement // Phys. Rev. B. 2005. V. 71. P. 115328.
  16. Johnsson M., Góngora D.R., Martinez-Pastor J.P., Volz T., Seravalli L., Trevisi G., Frigeri P., Muñoz-Matutano G. Ultrafast carrier redistribution in single InAs quantum dots mediated by wetting-layer dynamics // Phys. Rev. Appl. 2019. V. 11. P. 054043.
  17. Kammerer C., Voisin C., Cassabois G., Delalande C., Roussignol Ph., Klopf F., Reithmaier J.P., Forchel A., Gérard J.M. Line narrowing in single semiconductor quantum dots: Toward the control of environment effects // Phys. Rev. B. 2002. V. 66. P. 041306(R).
  18. Urbaszek B., McGhee E.J., Krüger M., Warburton R.J., Karrai K., Amand T., Gerardot B.D., Petroff P.M., Garcia J.M. Temperature-dependent linewidth of charged excitons in semiconductor quantum dots: Strongly broadened ground state transitions due to acoustic phonon scattering // Phys. Rev. B. 2004. V. 69. P. 035304.
  19. An C.S., Jang Y.D., Lee H., Lee D., Song J.D., Choi W.J. Delayed emission from InGaAs/GaAs quantum dots grown by migration-enhanced epitaxy due to carrier localization in a wetting layer // J. Appl. Phys. 2013. V. 113. P. 173503.
  20. Florian M., Gartner P., Steinhoff A., Gies C., Jahnke F. Coulomb-assisted cavity feeding in nonresonant optical emission from a quantum dot // Phys. Rev. B. 2014. V. 89. P. 161392(R).
  21. Echeverri-Arteaga S., Vinck-Posada H., Gómez E.A. Explanation of the quantum phenomenon of off-resonant cavity-mode emission // Phys. Rev. A. 2018. V. 97. P. 043815.
  22. Settnes M., Kaer P., Moelbjerg A., Mork J. Auger processes mediating the nonresonant optical emission from a semiconductor quantum dot embedded inside an optical cavity // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 111. P. 067403.
  23. Minkov M., Dharanipathy U.P., Houdré R., Savona V. Statistics of the disorder-induced losses of high-Q photonic crystal cavities // Opt. Expr. 2013. V. 21. P. 28233.
  24. Prasad T., Colvin V.L., Mittleman D.M. The effect of structural disorder on guided resonances in photonic crystal slabs studied with terahertz time-domain spectroscopy // Opt. Expr. 2007. V. 15. P. 16955.
  25. Guo X.J., Wang Y.F., Jia Y.F., Zheng W.H. Electrically-driven spectrally-broadened random lasing based on disordered photonic crystal structures // Appl. Phys. Let. 2017. V. 111. P. 031113.
  26. Tsukanov A.V., Kateev I.Y. Polarization converter of single photons on a two-dimensional quantum dot in an optical microresonator // Laser Phys. Lett. 2020. V. 17. P. 115204.
  27. Fushman I., Waks E., Englund D., Stoltz N., Petroff P., Vučković J. Ultrafast nonlinear optical tuning of photonic crystal cavities // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. P. 091118.
  28. Tsukanov A.V., Kateev I.Y. Generation of spatially entangled states in a photonic molecule containing a quantum dot // Laser Phys. Lett. 2023. V. 20. P. 116201.
  29. Цуканов А.В., Катеев И.Ю. Квантовый узел памяти на основе полупроводниковой двойной квантовой точки в оптическом резонаторе с лазерным управлением // Квант. электрон. 2017. Т. 47. С. 748.
  30. Цуканов А.В., Катеев И.Ю. Фотонная молекула с механической настройкой частоты для оптического измерения полупроводникового зарядового кубита // Микроэлектроника. 2021. Т. 50. С. 83.
  31. Madsen K.H., Kaer P., Kreiner-Møller A., Stobbe S., Nysteen A., Mørk J., Lodahl P. Measuring the effective phonon density of states of a quantum dot in cavity quantum electrodynamics // Phys. Rev. B. 2013. V. 88. P. 045316.
  32. Mickelsen D.L., Carruzzo H.M., Coppersmith S.N., Yu C.C. Effects of temperature fluctuations on charge noise in quantum dot qubits // Phys. Rev. B. 2023. V. 108. P. 075303.
  33. Dalgarno P.A., Smith J.M., McFarlane J., Gerardot B.D., Karrai K., Badolato A., Petroff P.M., Warburton R.J. Coulomb interactions in single charged self-assembled quantum dots: Radiative lifetime and recombination energy // Phys. Rev. B. 2008. V. 77. P. 245311.
  34. Ediger M., Bester G., Gerardot B.D., Badolato A., Petroff P.M., Karrai K., Zunger A., Warburton R.J. Fine structure of negatively and positively charged excitons in semiconductor quantum dots: electron-hole asymmetry // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 98. P. 036808.
  35. Winger M., Volz T., Tarel G., Portolan S., Badolato A., Hennessy K.J., Hu E.L., Beveratos A., Finley J., Savona V., Imamoğlu A. Explanation of photon correlations in the far-off-resonance optical emission from a quantum-dot–cavity system // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 103. P. 207403.
  36. Seravalli L., Trevisi G., Mῦnoz-Matutano G., Rivas D., Martinez-Pastor J., Frigeri P. Sub-critical InAs layers on metamorphic InGaAs for single quantum dot emission at telecom wavelengths // Cryst. Res. Technol. 2014. V. 49. P. 540.
  37. Nguyen H.S., Sallen G., Abbarchi M., Ferreira R., Voisin C., Roussignol P., Cassabois G., Diederichs C. Photoneutralization and slow capture of carriers in quantum dots probed by resonant excitation spectroscopy // Phys. Rev. B. 2013. V. 87. P. 115305.
  38. Nguyen H.S., Sallen G., Voisin C., Roussignol Ph., Diederichs C., Cassabois G. Optically gated resonant emission of single quantum dots // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 108. P. 057401.
  39. Huber T., Predojević A., Solomon G.S., Weihs G. Effects of photo-neutralization on the emission properties of quantum dots // Opt .Expr. 2016. V. 24. P. 21794.
  40. Seravalli L., Bocchi C., Trevisi G., Frigeri P. Properties of wetting layer states in low density InAs quantum dot nanostructures emitting at 1.3 μm: Effects of InGaAs capping // J. Appl. Phys. 2010. V. 108. P. 114313.
  41. Seravalli L., Trevisi G., Frigeri P., Royce R.J., Mowbray D.J. Energy states and carrier transport processes in metamorphic InAs quantum dots // J. Appl. Phys. 2012. V. 112. P. 034309.
  42. Wuetz B.P., Esposti D.D., Zwerver A.-M.J., Amitonov S.V., Botifoll M., Arbiol J., Sammak A., Vandersypen L.M.K., Russ M., Scappucci G. Reducing charge noise in quantum dots by using thin silicon quantum wells // Nat. Commun. 2023. V. 14. P. 1385.
  43. Chauvin N., Zinoni C., Francardi M., Gerardino A., Balet L., Alloing B., Li L.H., Fiore A. Controlling the charge environment of single quantum dots in a photonic-crystal cavity // Phys. Rev. B. 2009. V. 89. P. 241306(R).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Вверху: вертикальный разрез чипа в области МР вдоль горизонтальной оси x, соединяющей центры КТ А и КТ В кубита. Кубит расположен в высокоочищенном собственном (нейтральном) полупроводнике, который отделен от слоя с электронным резервуаром барьером-спейсером. Резервуар контактирует с металлическим электродом. Внизу: горизонтальный разрез чипа в плоскости x-y в области МР на основе двумерного ФК с дефектом S3.

Скачать (185KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Двумерное распределение электрического поля ТЕ-моды для ФК 1 (а) и ФК 2 (б), параметры которых приведены в тексте.

Скачать (303KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость собственной длины волны λс1 моды и максимальной амплитуды однофотонного электрического поля Ес1 от среднеквадратичного отклонения σR радиуса R отверстий ФК 1 (а), а также зависимость усредненного по времени электрического поля Е от длины волны λ фотона (оптический спектр) при различных значениях R (б).

Скачать (145KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость собственной длины волны λс2 моды и максимальной амплитуды однофотонного электрического поля Ес2 от среднеквадратичного отклонения σR радиуса R отверстий ФК 2.

Скачать (100KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость собственной длины волны λс1 моды и максимальной амплитуды однофотонного электрического поля Ес1 от среднеквадратичного отклонения σa постоянной решетки a отверстий ФК 1.

Скачать (88KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Графики зависимостей среднего значения точности воспроизведения от времени для трех значений напряженности электрического поля. Параметры системы в эффективных единицах приведены на вставке.

Скачать (112KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Графики зависимостей среднего значения точности воспроизведения от времени для трех значений концентрации электронов в резервуаре при включенном/выключенном электрическом поле. Параметры системы в эффективных единицах приведены на вставке.

Скачать (131KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Графики зависимостей точности воспроизведения от времени для двух значений расстояния от кубита до резервуара в сильном электрическом поле. Параметры системы в эффективных единицах приведены на вставке.

Скачать (208KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Графики зависимостей точности воспроизведения от времени с открытым стоком. Параметры системы в эффективных единицах приведены на вставке.

Скачать (132KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024