論文の概要: Rapid high-temperature initialisation and readout of spins in silicon with 10 THz photons

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.21880v1
• Date: Thu, 29 Jan 2026 15:46:16 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-01-30 16:22:49.951273
• Title: Rapid high-temperature initialisation and readout of spins in silicon with 10 THz photons
• Title（参考訳）: 10Hz光子を持つシリコンにおける高速高温初期化とスピンの読み出し
• Authors: Aidan G. McConnell, Nils Dessmann, Wojciech Adamczyk, Benedict N. Murdin, Lorenzo Amato, Nikolay V. Abrosimov, Sergey G. Pavlov, Gabriel Aeppli, Guy Matmon,
• Abstract要約: ケイ素では、ホウ素原子が最も一般的な不純物である。 初期化温度の要求は緩和される可能性がある。 原子物理学から輸入することで、1000倍の速度が増加した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.3482692226532415
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Each cycle of a quantum computation requires a quantum state initialisation. For semiconductor-based quantum platforms, initialisation is typically performed via slow microwave processes and usually requires cooling to temperatures where only the lowest quantum level is occupied. In silicon, boron atoms are the most common impurities. They bind holes in orbitals including an effective spin-3/2 ground state as well as excited states analogous to the Rydberg series for hydrogen. Here we show that initialisation temperature demands may be relaxed and speeds increased over a thousand-fold by importing, from atomic physics, the procedure of optical pumping via excited orbital states to preferentially occupy a target ground state spin. Spin relaxation within the orbital ground state of unstrained silicon is too fast to measure for conventional pulsed microwave technology, except at temperatures below 2 K, implying a need not only for fast state preparation but also fast state readout. Circularly polarised ~10 THz photon pulses from a free electron laser meet both needs at temperatures above 3 K: a 9 ps pulse enhances the population of one spin eigenstate for the "1s"-like ground state orbital, and the second interrogates this imbalance in spin population. Using parameters given by our data, we calculate that it should be possible to initialise 99% of spins for boron in strained silicon within 250 ps at 3 K. The speedup of both state preparation and measurement gained for THz rather than microwave photons should be explored for the many other solid state quantum systems hosting THz excitations potentially useful as intermediate states.
• Abstract（参考訳）: 量子計算の各サイクルは量子状態の初期化を必要とする。 半導体ベースの量子プラットフォームでは、初期化は通常、遅いマイクロ波プロセスを通して行われ、最低の量子レベルしか占有していない温度まで冷却する必要がある。 ケイ素では、ホウ素原子が最も一般的な不純物である。 これらは、有効スピン-3/2基底状態を含む軌道上の穴と、水素のリドバーグ級数に似た励起状態とを結合する。 ここでは、初期化温度要求が緩和され、原子物理学から励起軌道状態による光ポンピングの手順を優先的にターゲット基底状態スピンを占有することにより、1000倍以上の速度が増加することを示す。 拘束されていないシリコンの軌道基底状態におけるスピン緩和は、従来のパルスマイクロ波技術で測定するには速すぎるが、2K以下の温度では、高速な状態の準備だけでなく、高速な状態の読み出しも必要である。 9psのパルスは「1s」のような基底状態の軌道に対して1つのスピン固有状態の人口を増加させ、第2のパルスはスピン人口のこの不均衡を疑う。 マイクロ波光子よりも THz で得られる状態調製と測定の高速化は、THz 励起を中間状態として有する他の多くの固体量子系において検討すべきである。

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