Silicon-based spin and charge quantum computation

Abstract

Silicon-based quantum-computer architectures have attracted attention because of their promise for scalability and their potential for synergetically utilizing the available resources associated with the existing Si technology infrastructure. Electronic and nuclear spins of shallow donors (e.g. phosphorus) in Si are ideal candidates for qubits in such proposals due to the relatively long spin coherence times. For these spin qubits, donor electron charge manipulation by external gates is a key ingredient for control and read-out of single-qubit operations, while shallow donor exchange gates are frequently invoked to perform two-qubit operations. More recently, charge qubits based on tunnel coupling in P+2 substitutional molecular ions in Si have also been proposed. We discuss the feasibility of the building blocks involved in shallow donor quantum computation in silicon, taking into account the peculiarities of silicon electronic structure, in particular the six degenerate states at the conduction band edge. We show that quantum interference among these states does not significantly affect operations involving a single donor, but leads to fast oscillations in electron exchange coupling and on tunnel-coupling strength when the donor pair relative position is changed on a lattice-parameter scale. These studies illustrate the considerable potential as well as the tremendous challenges posed by donor spin and charge as candidates for qubits in silicon.Arquiteturas de computadores quânticos baseadas em silício vêm atraindo atenção devido às suas perspectivas de escalabilidade e utilização dos recursos já instalados associados à tecnologia do Si. Spins eletrônicos e nucleares de doadores rasos (por exemplo fósforo) em Si são candidatos ideais para bits quânticos (qubits) nestas propostas, devido aos tempos de coerência relativamente longos dos spins em matrizes de Si. Para estes qubits de spin, a manipulação da carga do elétron do doador por eletrodos externos é um ingrediente importante para controle e leitura das operações de um-qubit, enquanto que as portas de troca são frequentemente invocadas para as operações de dois-qubits. Mais recentemente, qubits de carga baseados no tunelamento do elétron no íon molecular P+2 em Si foram também propostos. Discutimos aqui as operações elementares envolvidas na computação quântica baseada em doadores rasos em Si, levando em consideração as peculiaridades da estrutura eletrônica do Si, em particular a degenerescência sextupla do mínimo da banda de condução. Mostramos que a interferência quântica entre estes seis estados não afeta significativamente as operações envolvendo um único doador, mas leva a oscilações no acoplamento de troca e no acoplamento via tunelamento quando a posição relativa do par é modificada na escala de distâncias do parâmetro de rede. Nossos estudos ilustram as potencialidades bem como os enormes desafios envolvidos na implementação de qubits de spin e carga em Si