- Letter
- Open Access
Ultrafast all-electrical universal nanoqubits
Phys. Rev. B 109, L041411 – Published 29 January, 2024
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.L041411
Abstract
We propose how to create, control, and read out real-space localized spin qubits in proximitized finite graphene nanoribbon (GNR) systems using purely electrical methods. Our proposed nanoqubits are formed of in-gap singlet-triplet states that emerge through the interplay of Coulomb and relativistic spin-dependent interactions in GNRs placed on a magnetic substrate. Application of an electric field perpendicular to the GNR heterostructure leads to a sudden change in the proximity couplings, i.e., a quantum quench, which enables us to deterministically rotate the nanoqubit to any arbitrary point on the Bloch sphere. We predict these spin qubits to undergo Rabi oscillations with optimal visibility and frequencies in excess of 10 GHz. Our findings open up an avenue for the realization of graphene-based quantum computing with ultrafast all-electrical methods.
Physics Subject Headings (PhySH)
Article Text
Supplemental Material
References (75)
- M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information, 10th ed. (Cambridge University, New York, 2010).
- Y. Cao, J. Romero, J. P. Olson, M. Degroote, P. D. Johnson, M. Kieferová, I. D. Kivlichan, T. Menke, B. Peropadre, N. P. D. Sawaya, S. Sim, L. Veis, and A. Aspuru-Guzik, Chem. Rev. 119, 10856 (2019).
- J. Biamonte, P. Wittek, N. Pancotti, P. Rebentrost, N. Wiebe, and S. Lloyd, Nature (London) 549, 195 (2017).
- S. P. Harvey, Quantum Dots/Spin Qubits (Oxford University Press, 2022).
- J. J. Pla, K. Y. Tan, J. P. Dehollain, W. H. Lim, J. J. L. Morton, D. N. Jamieson, A. S. Dzurak, and A. Morello, Nature (London) 489, 541 (2012).
- E. A. Laird, F. Pei, and L. P. Kouwenhoven, Nat. Nanotechnol. 8, 565 (2013).
- N. W. Hendrickx, W. I. L. Lawrie, M. Russ, F. van Riggelen, S. L. de Snoo, R. N. Schouten, A. Sammak, G. Scappucci, and M. Veldhorst, Nature (London) 591, 580 (2021).
- H. C. Park, J. Han, and N. Myoung, Quantum Sci. Technol. 8, 025012 (2023).
- X. Xue, M. Russ, N. Samkharadze, B. Undseth, A. Sammak, G. Scappucci, and L. M. K. Vandersypen, Nature (London) 601, 343 (2022).
- A. Noiri, K. Takeda, T. Nakajima, T. Kobayashi, A. Sammak, G. Scappucci, and S. Tarucha, Nature (London) 601, 338 (2022).
- M. T. Mądzik, S. Asaad, A. Youssry, B. Joecker, K. M. Rudinger, E. Nielsen, K. C. Young, T. J. Proctor, A. D. Baczewski, A. Laucht, V. Schmitt, F. E. Hudson, K. M. Itoh, A. M. Jakob, B. C. Johnson, D. N. Jamieson, A. S. Dzurak, C. Ferrie, R. Blume-Kohout, and A. Morello, Nature (London) 601, 348 (2022).
- A. G. Fowler, M. Mariantoni, J. M. Martinis, and A. N. Cleland, Phys. Rev. A 86, 032324 (2012).
- L. M. K. Vandersypen, H. Bluhm, J. S. Clarke, A. S. Dzurak, R. Ishihara, A. Morello, D. J. Reilly, L. R. Schreiber, and M. Veldhorst, npj Quantum Inf. 3, 34 (2017).
- F. H. L. Koppens, C. Buizert, K. J. Tielrooij, I. T. Vink, K. C. Nowack, T. Meunier, L. P. Kouwenhoven, and L. M. K. Vandersypen, Nature (London) 442, 766 (2006).
- E. Vahapoglu, J. P. Slack-Smith, R. C. C. Leon, W. H. Lim, F. E. Hudson, T. Day, T. Tanttu, C. H. Yang, A. Laucht, A. S. Dzurak, and J. J. Pla, Sci. Adv. 7, eabg9158 (2021).
- A. Corna, L. Bourdet, R. Maurand, A. Crippa, D. Kotekar-Patil, H. Bohuslavskyi, R. Laviéville, L. Hutin, S. Barraud, X. Jehl, M. Vinet, Y.-M. De Franceschi, SNiquet, and M. Sanquer, npj Quantum Inf. 4, 6 (2018).
- F. Borjans, D. M. Zajac, T. M. Hazard, and J. R. Petta, Phys. Rev. Appl. 11, 044063 (2019).
- A. Hosseinkhani and G. Burkard, Phys. Rev. B 106, 075415 (2022).
- K. Wang, G. Xu, F. Gao, H. Liu, R.-L. Ma, X. Zhang, Z. Wang, G. Cao, T. Wang, J.-J. Zhang, D. Culcer, X. Hu, H.-W. Jiang, H.-O. Li, G.-C. Guo, and G.-P. Guo, Nat. Commun. 13, 206 (2022).
- K. C. Nowack, F. H. L. Koppens, Y. V. Nazarov, and L. M. K. Vandersypen, Science 318, 1430 (2007).
- R. C. C. Leon, C. H. Yang, J. C. C. Hwang, J. C. Lemyre, T. Tanttu, W. Huang, K. W. Chan, K. Y. Tan, F. E. Hudson, K. M. Itoh, A. Morello, A. Laucht, M. Pioro-Ladrière, A. Saraiva, and A. S. Dzurak, Nat. Commun. 11, 797 (2020).
- B. Trauzettel, D. V. Bulaev, D. Loss, and G. Burkard, Nat. Phys. 3, 192 (2007).
- M. Eich, F. Herman, R. Pisoni, H. Overweg, A. Kurzmann, Y. Lee, P. Rickhaus, K. Watanabe, T. Taniguchi, M. Sigrist, T. Ihn, and K. Ensslin, Phys. Rev. X 8, 031023 (2018).
- L. Banszerus, S. Möller, E. Icking, K. Watanabe, T. Taniguchi, C. Volk, and C. Stampfer, Nano Lett. 20, 2005 (2020).
- A. Kurzmann, Y. Kleeorin, C. Tong, R. Garreis, A. Knothe, M. Eich, C. Mittag, C. Gold, F. K. de Vries, K. Watanabe, T. Taniguchi, V. Fal'ko, Y. Meir, T. Ihn, and K. Ensslin, Nat. Commun. 12, 6004 (2021).
- R. Garreis, A. Knothe, C. Tong, M. Eich, C. Gold, K. Watanabe, T. Taniguchi, V. Fal'ko, T. Ihn, K. Ensslin, and A. Kurzmann, Phys. Rev. Lett. 126, 147703 (2021).
- P. Harvey-Collard, N. T. Jacobson, C. Bureau-Oxton, R. M. Jock, V. Srinivasa, A. M. Mounce, D. R. Ward, J. M. Anderson, R. P. Manginell, J. R. Wendt, T. Pluym, M. P. Lilly, D. R. Luhman, M. Pioro-Ladrière, and M. S. Carroll, Phys. Rev. Lett. 122, 217702 (2019).
- L. Banszerus, S. Möller, C. Steiner, E. Icking, S. Trellenkamp, F. Lentz, K. Watanabe, T. Taniguchi, C. Volk, and C. Stampfer, Nat. Commun. 12, 5250 (2021).
- R. M. Jock, N. T. Jacobson, M. Rudolph, D. R. Ward, M. S. Carroll, and D. R. Luhman, Nat. Commun. 13, 641 (2022).
- L. Banszerus, K. Hecker, S. Möller, E. Icking, K. Watanabe, T. Taniguchi, C. Volk, and C. Stampfer, Nat. Commun. 13, 3637 (2022).
- L. M. Gächter, R. Garreis, J. D. Gerber, M. J. Ruckriegel, C. Tong, B. Kratochwil, F. K. de Vries, A. Kurzmann, K. Watanabe, T. Taniguchi, T. Ihn, K. Ensslin, and W. W. Huang, PRX Quantum 3, 020343 (2022).
- L. Banszerus, S. Möller, K. Hecker, E. Icking, K. Watanabe, T. Taniguchi, F. Hassler, C. Volk, and C. Stampfer, Nature (London) 618, 51 (2023).
- M. Slota, A. Keerthi, W. K. Myers, E. Tretyakov, M. Baumgarten, A. Ardavan, H. Sadeghi, C. J. Lambert, A. Narita, K. Müllen, and L. Bogani, Nature (London) 557, 691 (2018).
- Z. Chen, A. Narita, and K. Müllen, Adv. Mater. 32, 2001893 (2020).
- M. El Abbassi, M. L. Perrin, G. B. Barin, S. Sangtarash, J. Overbeck, O. Braun, C. J. Lambert, Q. Sun, T. Prechtl, A. Narita, K. Müllen, P. Ruffieux, H. Sadeghi, R. Fasel, and M. Calame, ACS Nano 14, 5754 (2020).
- W. Niu, S. Sopp, A. Lodi, A. Gee, F. Kong, T. Pei, P. Gehring, J. Nägele, C. S. Lau, J. Ma, J. Liu, A. Narita, J. Mol, M. Burghard, K. Müllen, Y. Mai, X. Feng, and L. Bogani, Nat. Mater. 22, 180 (2023).
- M. Fujita, K. Wakabayashi, K. Nakada, and K. Kusakabe, J. Phys. Soc. Jpn. 65, 1920 (1996).
- K. Nakada, M. Fujita, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 54, 17954 (1996).
- R. Ortiz, N. A. García-Martínez, J. L. Lado, and J. Fernández-Rossier, Phys. Rev. B 97, 195425 (2018).
- R. Ortiz, R. A. Boto, N. García-Martınez, J. C. Sancho-García, M. Melle-Franco, and J. Fernández-Rossier, Nano Lett. 19, 5991 (2019).
- M. Pizzochero and E. Kaxiras, J. Phys. Chem. Lett. 12, 1214 (2021).
- Y.-W. Son, M. L. Cohen, and S. G. Louie, Phys. Rev. Lett. 97, 216803 (2006).
- J. Fernández-Rossier and J. J. Palacios, Phys. Rev. Lett. 99, 177204 (2007).
- M. Offidani, M. Milletarì, R. Raimondi, and A. Ferreira, Phys. Rev. Lett. 119, 196801 (2017).
- J. O. Island, X. Cui, C. Lewandowski, J. Y. Khoo, E. M. Spanton, H. Zhou, D. Rhodes, J. C. Hone, T. Taniguchi, K. Watanabe, L. S. Levitov, M. P. Zaletel, and A. F. Young, Nature (London) 571, 85 (2019).
- J. F. Sierra, J. Fabian, R. K. Kawakami, S. Roche, and S. O. Valenzuela, Nat. Nanotechnol. 16, 856 (2021).
- J. Zhang, B. Zhao, Y. Yao, and Z. Yang, Phys. Rev. B 92, 165418 (2015).
- Y. Wu, Q. Cui, M. Zhu, X. Liu, Y. Wang, J. Zhang, X. Zheng, J. Shen, P. Cui, H. Yang, and S. Wang, ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 10656 (2021).
- K. Zollner, M. D. Petrović, K. Dolui, P. Plecháč, B. K. Nikolić, and J. Fabian, Phys. Rev. Res. 2, 043057 (2020).
- K. Zollner and J. Fabian, Phys. Rev. Lett. 128, 106401 (2022).
- D. Wang, S. Che, G. Cao, R. Lyu, K. Watanabe, T. Taniguchi, C. N. Lau, and M. Bockrath, Nano Lett. 19, 7028 (2019).
- Q. Rao, W.-H. Kang, H. Xue, Z. Ye, X. Feng, K. Watanabe, T. Taniguchi, N. Wang, M.-H. Liu, and D.-K. Ki, Nat. Commun. 14, 6124 (2023).
- J. M. Elzerman, R. Hanson, L. H. Willems van Beveren, B. Witkamp, L. M. K. Vandersypen, and L. P. Kouwenhoven, Nature (London) 430, 431 (2004).
- N. V. Tepliakov, J. Lischner, E. Kaxiras, A. A. Mostofi, and M. Pizzochero, Phys. Rev. Lett. 130, 026401 (2023).
- See Supplemental Material at http://link.aps.org/supplemental/10.1103/PhysRevB.109.L041411 for the derivation of Eqs. (1)– (3), demonstration of qubit universality, more details on the proposed experimental detection scheme, and further analysis of the nanoqubit characteristics for various GNR dimensions.
- E. I. Rashba, Fiz. Tverd. Tela 2, 1224 (1960) [Sov. Phys. Solid State 2, 1109 (1960)].
- M. Brooks and G. Burkard, Phys. Rev. B 101, 035204 (2020).
- B. Yang, M.-F. Tu, J. Kim, Y. Wu, H. Wang, J. Alicea, R. Wu, M. Bockrath, and J. Shi, 2D Mater. 3, 031012 (2016).
- D. Shcherbakov, P. Stepanov, S. Memaran, Y. Wang, Y. Xin, J. Yang, K. Wei, R. Baumbach, W. Zheng, K. Watanabe, T. Taniguchi, M. Bockrath, D. Smirnov, T. Siegrist, W. Windl, L. Balicas, and C. N. Lau, Sci. Adv. 7, eabe2892 (2021).
- J. Amann, T. Völkl, T. Rockinger, D. Kochan, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Fabian, D. Weiss, and J. Eroms, Phys. Rev. B 105, 115425 (2022).
- M. Gmitra and J. Fabian, Phys. Rev. B 92, 155403 (2015).
- A. H. Castro Neto, F. Guinea, N. M. R. Peres, K. S. Novoselov, and A. K. Geim, Rev. Mod. Phys. 81, 109 (2009).
- H. Feldner, Z. Y. Meng, A. Honecker, D. Cabra, S. Wessel, and F. F. Assaad, Phys. Rev. B 81, 115416 (2010).
- H. Feldner, Z. Y. Meng, T. C. Lang, F. F. Assaad, S. Wessel, and A. Honecker, Phys. Rev. Lett. 106, 226401 (2011).
- T. O. Wehling, E. Şaşıoğlu, C. Friedrich, A. I. Lichtenstein, M. I. Katsnelson, and S. Blügel, Phys. Rev. Lett. 106, 236805 (2011).
- J. Jung and A. H. MacDonald, Phys. Rev. B 84, 085446 (2011).
- V. M. L. Durga Prasad Goli, S. Prodhan, S. Mazumdar, and S. Ramasesha, Phys. Rev. B 94, 035139 (2016).
- D. J. Rizzo, G. Veber, T. Cao, C. Bronner, T. Chen, F. Zhao, H. Rodriguez, S. G. Louie, M. F. Crommie, and F. R. Fischer, Nature (London) 560, 204 (2018).
- J. Lawrence, P. Brandimarte, A. Berdonces-Layunta, M. S. G. Mohammed, A. Grewal, C. C. Leon, D. Sánchez-Portal, and D. G. de Oteyza, ACS Nano 14, 4499 (2020).
- T. Frank, P. Högl, M. Gmitra, D. Kochan, and J. Fabian, Phys. Rev. Lett. 120, 156402 (2018).
- F. J. d. Santos, D. A. Bahamon, R. B. Muniz, K. McKenna, E. V. Castro, J. Lischner, and A. Ferreira, Phys. Rev. B 98, 081407(R) (2018).
- D. P. DiVincenzo, Fortschr. Phys. 48, 771 (2000).
- A. Locatelli, K. R. Knox, D. Cvetko, T. O. Menteş, M. A. Niño, S. Wang, M. B. Yilmaz, P. Kim, R. M. J. Osgood, and A. Morgante, ACS Nano 4, 4879 (2010).
- I. M. Vicent, H. Ochoa, and F. Guinea, Phys. Rev. B 95, 195402 (2017).
- M. O. Hachiya, G. Burkard, and J. C. Egues, Phys. Rev. B 89, 115427 (2014).