The main limitation to the high-fidelity quantum control of spins in semiconductors is the presence of strongly fluctuating fields arising from the nuclear spin bath of the host material. We demonstrate here a substantial improvement in single-qubit inversion fidelities for an electron spin qubit bound to a 31P atom in natural silicon, by applying adiabatic sweeps instead of narrow-band pulses. We achieve an inversion fidelity of 97%, and we observe signatures in the spin resonance spectra and the spin coherence time that are consistent with the presence of an additional exchange-coupled donor. This work highlights the effectiveness of simple adiabatic inversion techniques for spin control in fluctuating environments.

1.
D.
Loss
and
D. P.
DiVincenzo
,
Phys. Rev. A
57
,
120
(
1998
).
2.
J.
Taylor
,
H.-A.
Engel
,
W.
Dür
,
A.
Yacoby
,
C.
Marcus
,
P.
Zoller
, and
M.
Lukin
,
Nat. Phys.
1
,
177
(
2005
).
3.
L.
Hollenberg
,
A.
Greentree
,
A.
Fowler
, and
C.
Wellard
,
Phys. Rev. B
74
,
045311
(
2006
).
4.
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
442
,
766
(
2006
).
5.
J. R.
Petta
,
A. C.
Johnson
,
J. M.
Taylor
,
E. A.
Laird
,
A.
Yacoby
,
M. D.
Lukin
,
C. M.
Marcus
,
M. P.
Hanson
, and
A. C.
Gossard
,
Science
309
,
2180
(
2005
).
6.
B. M.
Maune
,
M. G.
Borselli
,
B.
Huang
,
T. D.
Ladd
,
P. W.
Deelman
,
K. S.
Holabird
,
A. A.
Kiselev
,
I.
Alvarado-Rodriguez
,
R. S.
Ross
,
A. E.
Schmitz
,
M.
Sokolich
,
C. A.
Watson
,
M. F.
Gyure
, and
A. T.
Hunter
,
Nature (London)
481
,
344
(
2012
).
7.
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
).
8.
J. J.
Pla
,
K. Y.
Tan
,
J. P.
Dehollain
,
W. H.
Lim
,
J. J. L.
Morton
,
F. A.
Zwanenburg
,
D. N.
Jamieson
,
A. S.
Dzurak
, and
A.
Morello
,
Nature (London)
496
,
334
(
2013
).
9.
W.
Yao
,
R.-B.
Liu
, and
L.
Sham
,
Phys. Rev. B
74
,
195301
(
2006
).
10.
W. M.
Witzel
,
M. S.
Carroll
,
A.
Morello
,
L.
Cywiński
, and
S. D.
Sarma
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
187602
(
2010
).
11.
D. S.
Wang
,
A. G.
Fowler
, and
L. C.
Hollenberg
,
Phys. Rev. A
83
,
020302
(
2011
).
12.
M.
Steger
,
K.
Saeedi
,
M. L. W.
Thewalt
,
J. J. L.
Morton
,
H.
Riemann
,
N. V.
Abrosimov
,
P.
Becker
, and
H.-J.
Pohl
,
Science
336
,
1280
(
2012
).
13.
A. M.
Tyryshkin
,
S.
Tojo
,
J. J. L.
Morton
,
H.
Riemann
,
N. V.
Abrosimov
,
P.
Becker
,
H.-J.
Pohl
,
T.
Schenkel
,
M. L. W.
Thewalt
,
K. M.
Itoh
, and
S. A.
Lyon
,
Nature Mater.
11
,
143
(
2012
).
14.
K.
Saeedi
,
S.
Simmons
,
J. Z.
Salvail
,
P.
Dluhy
,
H.
Riemann
,
N. V.
Abrosimov
,
P.
Becker
,
H.-J.
Pohl
,
J. J.
Morton
, and
M. L.
Thewalt
,
Science
342
,
830
(
2013
).
15.
J.-Y.
Li
,
C.-T.
Huang
,
L. P.
Rokhinson
, and
J. C.
Sturm
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
162105
(
2013
).
16.
A.
Abragam
,
The Principles of Nuclear Magnetism
(
Clarendon Press
,
Oxford
,
1961
).
17.
C. B.
Harris
and
R. J.
Hoover
,
J. Chem. Phys.
56
,
2199
(
1972
).
18.
A.
Doll
,
S.
Pribitzer
,
R.
Tschaggelar
, and
G.
Jeschke
,
J. Magn. Reson.
230
,
27
(
2013
).
19.
H.
Wu
,
E. M.
Gauger
,
R. E.
George
,
M.
Möttönen
,
H.
Riemann
,
N. V.
Abrosimov
,
P.
Becker
,
H.-J.
Pohl
,
K. M.
Itoh
,
M. L. W.
Thewalt
, and
J. J. L.
Morton
,
Phys. Rev. A
87
,
032326
(
2013
).
20.
J.
Zhang
,
J. H.
Shim
,
I.
Niemeyer
,
T.
Taniguchi
,
T.
Teraji
,
H.
Abe
,
S.
Onoda
,
T.
Yamamoto
,
T.
Ohshima
,
J.
Isoya
, and
D.
Suter
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
240501
(
2013
).
21.
I.
Niemeyer
,
J. H.
Shim
,
J.
Zhang
,
D.
Suter
,
T.
Taniguchi
,
T.
Teraji
,
H.
Abe
,
S.
Onoda
,
T.
Yamamoto
,
T.
Ohshima
,
J.
Isoya
, and
F.
Jelezko
,
New J. Phys.
15
,
033027
(
2013
).
22.
A.
Morello
,
J. J.
Pla
,
F. A.
Zwanenburg
,
K. W.
Chan
,
K. Y.
Tan
,
H.
Huebl
,
M.
Möttönen
,
C. D.
Nugroho
,
C.
Yang
,
J.
van Donkelaar
,
A. D. C.
Alves
,
D. N.
Jamieson
,
C. C.
Escott
,
L. C. L.
Hollenberg
,
R. G.
Clark
, and
A. S.
Dzurak
,
Nature (London)
467
,
687
(
2010
).
23.
J. F.
Ziegler
,
M.
Ziegler
, and
J.
Biersack
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
268
,
1818
(
2010
).
24.
J. P.
Dehollain
,
J. J.
Pla
,
E.
Siew
,
K. Y.
Tan
,
A. S.
Dzurak
, and
A.
Morello
,
Nanotechnology
24
,
015202
(
2013
).
25.
J. L.
Ivey
and
R. L.
Mieher
,
Phys. Rev. B
11
,
849
(
1975
).
26.
R.
Kalra
,
A.
Laucht
,
C.
Hill
, and
A.
Morello
, e-print arXiv:1312.2197.
27.
C.
Wellard
,
L.
Hollenberg
,
F.
Parisoli
,
L.
Kettle
,
H.-S.
Goan
,
J.
McIntosh
, and
D.
Jamieson
,
Phys. Rev. B
68
,
195209
(
2003
).
28.
G.
Feher
,
Phys. Rev.
114
,
1219
(
1959
).
29.
F. A.
Mohiyaddin
,
R.
Rahman
,
R.
Kalra
,
G.
Klimeck
,
L. C. L.
Hollenberg
,
J. J.
Pla
,
A. S.
Dzurak
, and
A.
Morello
,
Nano Lett.
13
,
1903
(
2013
).
30.
C.
Zener
,
Proc. R. Soc. London, Ser. A
137
,
696
(
1932
).
31.
P.
Kok
and
B. W.
Lovett
,
Introduction to Optical Quantum Information Processing
(
Cambridge University Press
,
2010
).
32.

In contrast to the rotating B1 field assumed in the simulations, the B1 field in the experiment is linearly polarized. This results in the real B1 field amplitude being a factor 2× larger.

33.
X.
Hu
and
S. D.
Sarma
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
100501
(
2006
).
34.

The inversion fidelity was estimated from the control fidelity as FI=0.5cos((1FC)π)+0.5, where FC = 57 ± 2% is the angle control fidelity (Ref. 7).

You do not currently have access to this content.