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