Seeing the Light : Towards Optical Readout of Donor Spins in Silicon
Kvanttilaskenta on nopeasti kasvava ala, jolla on useita toimivia pieniä kvanttitietokoneita. Koska yksikään niistä ei ole kuitenkaan osoittanut pystyvänsä
johonkin, mihin klassinen tietokone ei pysty, on tilaa tarkastella vaihtoehtoisia toteutusmalleja. Eräs sellainen on donorispini piissä, jolla on tutkitusti pitkä koherenssiaika ja korkea kontrollifideliteetti, sekä valmiiksi löytyvä suuri valmistuskapasiteetti. Sen huonoin puoli on kätevien luenta- ja kytkentämekanismien puute. Pyrimme ratkaisemaan tämän toteuttamallä optisen kytkennän optomekaanisen kvanttiväylän kautta, jossa spinin tila on kytketty optomekaaniseen resonaattoriin, jonka mekaaninen resonanssitaajuus riippuu spinin tilasta ja on optisesti
mitattavissa.
Saadaksemme tämän aikaan olemme tutkineet, miten jotkin koko systeemimme toimivuudelle välttämättömät tekijät vaikuttavat valitsemamme optomekaaniseen systeemiin. Tutkimme ioni-implantaation aiheuttaman amorfisaation vaikutuksia optiseen ja mekaaniseen resonanssiin ja varmistimme, että implantaation jälkeinen hehkutus palauttaa toivotun käytöksen. Varmistimme myös, että optinen resonanssi säilyy paremman spini-mekaniikka -kytkennän tuovan mikromagneetinkin kanssa. Koska ulosluku vaatii sisääntulevaa säteilyä ja siten absorptiota, tutkimme lisäksi, miten fototermisen voiman suuruus riippui sisääntulevasta tehosta.
Tässä väitöskirjassa esittelen myös tarvittavan teoreettisen taustan sekä säteilypaine- että fototermisestä optomekaniikasta ja spinikuvasta kaksitilasysteemin perusteista spinit mekaniikkaan kytkevään dressaukseen. Viimeiseksi käsittelen optomekaanisen resonaattorimme (design) ja valmistusta, mukaanlukien yleisiä epäonnistumisia ja mitä tein välttääkseni ne.
Tämä väitöskirja koostuu johdanto-osiosta ja kolmesta julkaisusta, joista yksi on jo julkaistu, yksi on lähetetty, ja yksi on manuskripti, joka lähetetään kohta lehteen.
Avainsanat: optomekaniikka, kvanttilaskenta, optiikka, nanofysiikka, kvanttifysiikka
...
Quantum computation is a rapidly growing field with multiple functional proof of concept devices. As none of them have shown a provable advantage over classical systems, however, there is ample room for investigation of alternate platforms. One such possible platform is a donor spin in Si, which has been demonstrated to have long coherence times and high control fidelities, as well as having a large pre-existing manufacturing base. Its chief drawback is a lack of a convenient readout and coupling mechanism. We aim to solve this by introducing optical coupling via an optomechanical quantum bus, where the spin state is coupled to an optomechanical resonator, the mechanical resonance frequency of which is affected by the spin state and is also optically observable.
To accomplish this, we have investigated how our optomechanical system of choice is affected by a number of factors necessary for the functioning of the system. We investigated the effect of amorphisation caused by ion implantation on the optical and mechanical resonances and confirmed that a post-implantation anneal will recover the desired behavior. We also confirmed that the optical resonance will survive in presence of a micromagnet, in place for improved coupling of spins to mechanics. As the readout involves incident illumination and thus absorption, we additionally investigated the magnitude of photothermal effects as a function of incident power.
In this thesis, I also present the necessary theoretical background on optomechanics, both radiation pressure and photothermal, and the spin picture,
from the basics of a two-level system to the dressing required to couple our spins to the mechanics. Finally, I discuss the design of the optomechanical device and its fabrication, including common failure states and steps I took to avoid them.
This dissertation is composed of an introductory text and three publications — one of which has been published, one of which is submitted for publication, and one of which is a manuscript that will soon be submitted.
Keywords: optomechanics, quantum computing, optics, nanoscale physics, quantum physics
...
Publisher
Jyväskylän yliopistoISBN
978-952-86-0290-3ISSN Search the Publication Forum
2489-9003Contains publications
- Artikkeli I: Shakespeare, C., Loippo, T., Lyyra, H., & Muhonen, J. T. (2021). The effects of ion implantation damage to photonic crystal optomechanical resonators in silicon. Materials for Quantum Technology, 1(4), Article 045003. DOI: 10.1088/2633-4356/ac3e42
- Artikkeli II: Shakespeare, C., Kumar, A. S. and Muhonen. J. T. Thermal relaxation time and photothermal optomechanical force in sliced photonic crystal silicon nanobeams. Manuscript.
- Artikkeli III: Lyyra, H., Shakespeare, C., Ahopelto, S., Loippo, T., Inkilä, R., Runko, P. and Muhonen, J. Optomechanical quantum bus for donor spins in silicon. Manuscript.
Metadata
Show full item recordCollections
- JYU Dissertations [836]
- Väitöskirjat [3537]
License
Related items
Showing items with similar title or keywords.
-
Biomass-derived carbon–silicon composites (C@Si) as anodes for lithium-ion and sodium-ion batteries : A promising strategy towards long-term cycling stability : A mini review
Simoes dos Reis, Glaydson; Molaiyan, Palanivel; Subramaniyam, Chandrasekar M.; García-Alvarado, Flaviano; Paolella, Andrea; Pequeno de Oliveira, Helinando; Lassi, Ulla (Elsevier BV, 2023)The global need for high energy density and performing rechargeable batteries has led to the development of high-capacity silicon-based anode materials to meet the energy demands imposed to electrify plug-in vehicles to ... -
First identification of rotational band structures in Re-166(75)91
Li, H. J.; Doncel, M.; Patial, M.; Cederwall, B.; Bäck, T.; Jakobsson, Ulrika; Auranen, Kalle; Bönig, S.; Drummond, M.; Grahn, Tuomas; Greenlees, Paul; Herzan, Andrej; Joss, D. T.; Julin, Rauno; Juutinen, Sakari; Konki, Joonas; Kröll, T.; Leino, Matti; McPeake, C.; O'Donnell, D.; Page, R. D.; Pakarinen, Janne; Partanen, Jari; Peura, Pauli; Rahkila, Panu; Ruotsalainen, Panu; Sandzelius, Mikael; Sarén, Jan; Sayği, B.; Scholey, Catherine; Sorri, Juha; Stolze, Sanna; Taylor, M. J.; Thornthwaite, A.; Uusitalo, Juha; Xiao, Z. G. (American Physical Society, 2015)Excited states in the odd-odd, highly neutron-deficient nucleus 166Re have been investigated via the 92Mo(78Kr, 3p1n) 166Re reaction. Prompt γ rays were detected by the JUROGAM II γ -ray spectrometer, and the ... -
Shape evolution in even-even N≤126, Z≥82 nuclei
Rahkila, Panu (University of Jyväskylä, 2010)The shape evolution in the neutron-de cient lead, polonium and radium nuclei has been investigated via in-beam and delayed y-ray and conversion electron spectroscopy. The lead isotope 180Pb is found to still exhibit ... -
α decay of the πh11/2 isomer in Ir164
Drummond, M. C.; O'Donnell, D.; Page, R. D.; Joss, D. T.; Capponi, L.; Cox, D. M.; Darby, Iain; Donosa, L.; Filmer, F.; Grahn, Tuomas; Greenlees, Paul; Hauschild, Karl; Herzan, Andrej; Jakobsson, Ulrika; Jones, Peter; Julin, Rauno; Juutinen, Sakari; Ketelhut, Steffen; Leino, Matti; Lopez-Martens, Araceli; Mistry, A. K.; Nieminen, Päivi; Peura, Pauli; Rahkila, Panu; Rinta-Antila, Sami; Ruotsalainen, Panu; Sandzelius, Mikael; Sarén, Jan; Saygi, B.; Scholey, Catherine; Simpson, J.; Sorri, Juha; Thornthwaite, A.; Uusitalo, Juha (American Physical Society, 2014)The α -decay branch of the πh 11 / 2 isomer in 164 Ir has been identified using the GREAT spectrometer. The 164 Ir nuclei were produced using the 92 Mo( 78 Kr ,p 5 n ) 164 Ir reaction and separated ... -
Blurring the Boundaries: Decays of Multiparticle Isomers at the Proton Drip Line
Carroll, R. J.; Page, R. D.; Joss, D. T.; Uusitalo, Juha; Darby, I. G.; Andgren, K.; Cederwall, B.; Eeckhaudt, Sarah; Grahn, Tuomas; Gray-Jones, C.; Greenlees, Paul; Hadinia, B.; Jones, Peter; Julin, Rauno; Juutinen, Sakari; Leino, Matti; Leppänen, Ari-Pekka; Nyman, Markus; O’Donnell, D.; Pakarinen, Janne; Rahkila, Panu; Sandzelius, Mikael; Sarén, Jan; Scholey, Catherine; Seweryniak, D.; Simpson, J. (American Physical Society, 2014)A multiparticle spin-trap isomer has been discovered in the proton-unbound nucleus 158 73Ta85. The isomer mainly decays by γ-ray emission with a half-life of 6.1ð1Þ μs. Analysis of the γ-ray data shows that the isomer ...