The Initialization and Manipulation of Quantum ...

0 downloads 0 Views 234KB Size Report
McCamey, D.R. et al., Science 330, 16521656 (2010). [5]. Stoneham, A.M. et al., Journal of PhysicsCondensed Matter 21, 364222 (2009). [6]. Stoneham, A.J. et ...
NATIONAL HIGH MAGNETIC FIELD LABORATORY 2010 RESEARCH REPORT

  The Initialization and Manipulation of Quantum Information Stored in Silicon by Bismuth  Dopants    Gavin W Morley, Marc Warner, A Marshall Stoneham, P Thornton Greenland (University College London, Physics  and London Centre for Nanotechnology); Johan van Tol (NHMFL and FSU, Chem.); Christopher W M Kay  (University College London, London Centre for Nanotechnology and Institute of Structural and Molecular Biology);  Gabriel Aeppli (University College London, Physics and London Centre for Nanotechnology)      Magnetic Field (T) 

Introduction 

We used the pulsed electron magnetic resonance  (EMR) spectrometer developed at the NHMFL [10,  11], as well as a Bruker E580 in UCL.    

Results and Discussion 

8.6

8.7

8.8

Light on

240 GHz 3 K

1.0

4 K

Sim. Light off

5 K

0.5

 

CW EPR signal (arb. units)

8.5

3 K Si:Bi

0.0

 

125 120 115

Si:P

 

 

Experimental 

8.4

Energy (GHz)

High magnetic fields can be used to polarize spin  qubits, initializing them for a quantum computation [1­ 4]. Phosphorus dopants in silicon (Si:P) are a leading  candidate for these applications, but heavier  impurities such as bismuth in silicon (Si:Bi) could be  used in conjunction with Si:P for quantum information  proposals that require two separately addressable  spin species [5, 6]. We have found that such schemes  are indeed feasible as the electron spin coherence  time (T2) of Si:Bi is at least 2 ms, which is longer than  for Si:P with non­isotopically purified silicon [7, 8].  Si:Bi also presents novel opportunities for quantum  information processing at low magnetic fields [9].    

­115 ­120 ­125 8.4

8.5

8.6

8.7

8.8

Magnetic field (T) 209 Figure 1. EMR spectra of Si:Bi at 240 GHz with  Figure 1 shows that the  Bi nuclear spin can be  simulations based on the energy levels shown.  hyperpolarized at 3 K with a high magnetic field of 8.6 T,  Adapted from reference [7].  in the presence of white light. We also demonstrated  pulsed manipulation (not shown) of this nucleus with electron­nuclear double resonance (ENDOR) at 8.6 T [7].    

Conclusions  We have found that bismuth atoms in silicon have long electron spin coherence times and we used high magnetic  fields to polarize the electronic and nuclear spins of these qubits.   

Acknowledgements   This work was supported by the EPSRC COMPASSS grant and by the NHMFL through Visiting Scientist Program  grant #12488. GWM acknowledges support from the Royal Commission for the Exhibition of 1851.   

References  [1]  [2]  [3]  [4]  [5]  [6]  [7]  [8]  [9]  [10]  [11] 

Morley, G.W. et al., Phys. Rev. Lett. 98, 220501 (2007).  Morley, G.W. et al., Phys. Rev. Lett. 101, 207602 (2008).  McCamey, D.R, et al., Phys. Rev. Lett. 102, 027601 (2009).  McCamey, D.R. et al., Science 330, 1652­1656 (2010).  Stoneham, A.M. et al., Journal of Physics­Condensed Matter 21, 364222 (2009).  Stoneham, A.J. et al., Journal of Physics­Condensed Matter 15, L447 (2003).  Morley G.W., et al., Nature Materials 9, 725 (2010).  George R.E. et al., Phys. Rev. Lett. 105, 067601 (2010).  Mohammady, M.H., et al., Phys. Rev. Lett. 105, 067602 (2010).  Morley, G.W. et al., Review of Scientific Instruments 79, 064703 (2008).  van Tol, J. et al., Review of Scientific Instruments 76, 074101 (2005). 

Suggest Documents