Quantum dot arrays provide a promising platform for quantum information processing. For universal quantum simulation and computation, one central issue is to demonstrate the exhaustive controllability of quantum states. Here, we report the addressable manipulation of three single electron spins in a triple quantum dot using a technique combining electron-spin-resonance and a micro-magnet. The micro-magnet makes the local Zeeman field difference between neighboring spins much larger than the nuclear field fluctuation, which ensures the addressable driving of electron-spin-resonance by shifting the resonance condition for each spin. We observe distinct coherent Rabi oscillations for three spins in a semiconductor triple quantum dot with up to 25 MHz spin rotation frequencies. This individual manipulation over three spins enables us to arbitrarily change the magnetic spin quantum number of the three spin system, and thus to operate a triple-dot device as a three-qubit system in combination with the existing technique of exchange operations among three spins.

1.
F. H. L.
Koppens
,
C.
Buizert
,
K. J.
Tielrooij
,
I. T.
Vink
,
K. C.
Nowack
,
T.
Meunier
,
L. P.
Kouwenhoven
, and
L. M.
Vandersypen
,
Nature
442
,
766
(
2006
).
2.
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
).
3.
J.
Medford
,
J.
Beil
,
J. M.
Taylor
,
S. D.
Bartlett
,
A. C.
Doherty
,
E. I.
Rashba
,
D. P.
DiVincenzo
,
H.
Lu
,
A. C.
Gossard
, and
C. M.
Marcus
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
654
659
(
2013
).
4.
D. D.
Awschalom
,
L. C.
Bassett
,
A. S.
Dzurak
,
E. L.
Hu
, and
J. R.
Petta
,
Science
339
,
1174
(
2013
).
5.
K. C.
Nowack
,
F. H. L.
Koppens
,
Y. V.
Nazarov
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Science
318
,
1430
(
2007
).
6.
M.
Pioro-Ladrière
,
T.
Obata
,
Y.
Tokura
,
Y.-S.
Shin
,
T.
Kubo
,
K.
Yoshida
,
T.
Taniyama
, and
S.
Tarucha
,
Nat. Phys.
4
,
776
779
(
2008
).
7.
S.
Nadj-Perge
,
S. M.
Frolov
,
E. P. A. M.
Bakkers
, and
L. P.
Kouwenhoven
,
Nature
468
,
1084
1087
(
2010
).
8.
R.
Brunner
,
Y.-S.
Shin
,
T.
Obata
,
M.
Pioro-Ladrière
,
T.
Kubo
,
K.
Yoshida
,
T.
Taniyama
,
Y.
Tokura
, and
S.
Tarucha
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
146801
(
2011
).
9.
J.
Yoneda
,
T.
Otsuka
,
T.
Nakajima
,
T.
Takakura
,
T.
Obata
,
M.
Pioro-Ladrière
,
H.
Lu
,
C. J.
Palmstrøm
,
A. C.
Gossard
, and
S.
Tarucha
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
267601
(
2014
).
10.
M.
Veldhorst
,
C. H.
Yang
,
J. C. C.
Hwang
,
W.
Huang
,
J. P.
Dehollain
,
J. T.
Muhonen
,
S.
Simmons
,
A.
Laucht
,
F. E.
Hudson
,
K. M.
Itoh
,
A.
Morello
, and
A. S.
Dzurak
,
Nature
526
,
410
414
(
2015
).
11.
J.
Medford
,
J.
Beil
,
J. M.
Taylor
,
E. I.
Rashba
,
H.
Lu
,
A. C.
Gossard
, and
C. M.
Marcus
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
050501
(
2013
).
12.
K.
Eng
,
T. D.
Ladd
,
A.
Smith
,
M. G.
Borselli
,
A. A.
Kiselev
,
B. H.
Fong
,
K. S.
Holabird
,
T. M.
Hazard
,
B.
Huang
,
P. W.
Deelman
,
I.
Milosavljevic
,
A. E.
Schmitz
,
R. S.
Ross
,
M. F.
Gyure
, and
A. T.
Hunter
,
Sci. Adv.
1
,
e1500214
(
2015
).
13.
M. D.
Shulman
,
O. E.
Dial
,
S. P.
Harvey
,
H.
Bluhm
,
V.
Umansky
, and
A.
Yacoby
,
Science
336
,
202
(
2012
).
14.
L.
Gaudreau
,
A.
Kam
,
G.
Granger
,
S. A.
Studenikin
,
P.
Zawadzki
, and
A. S.
Sachrajda
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
193101
(
2009
).
15.
T. A.
Baart
,
M.
Shafiei
,
T.
Fujita
,
C.
Reichl
,
W.
Wegscheider
, and
L. M. K.
Vandersypen
, “
Single-spin CCD
,”
Nat. Nanotechnol.
(published online 2016).
16.
T.
Takakura
,
A.
Noiri
,
T.
Obata
,
T.
Otsuka
,
J.
Yoneda
,
K.
Yoshida
, and
S.
Tarucha
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
113109
(
2014
).
17.
M. R.
Delbecq
,
T.
Nakajima
,
T.
Otsuka
,
S.
Amaha
,
J. D.
Watson
,
M. J.
Manfra
, and
S.
Tarucha
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
183111
(
2014
).
18.
P. W.
Shor
,
Phys. Rev. A
52
,
R2493
R2496
(
1995
).
19.
M. A.
Nielsen
and
I. L.
Chuang
,
Cambridge Series on Information and the Natural Sciences
(
Cambridge University Press
,
2000
).
20.
L.
Steffen
,
Y.
Salathe
,
M.
Oppliger
,
P.
Kurpiers
,
M.
Baur
,
C.
Lang
,
C.
Eichler
,
G.
Puebla-Hellmann
,
A.
Fedorov
, and
A.
Wallraff
,
Nature
500
,
319
322
(
2013
).
21.
M.
Busl
,
G.
Granger
,
L.
Gaudreau
,
R.
Sánchez
,
A.
Kam
,
M.
Pioro-Ladrière
,
S. A.
Studenikin
,
P.
Zawadzki
,
Z. R.
Wasilewski
,
A. S.
Sachrajda
, and
G.
Platero
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
261
265
(
2013
).
22.
J.
Yoneda
,
T.
Otsuka
,
T.
Takakura
,
M.
Pioro-Ladrière
,
R.
Brunner
,
H.
Lu
,
T.
Nakajima
,
T.
Obata
,
A.
Noiri
,
C. J.
Palmstrøm
,
A. C.
Gossard
, and
S.
Tarucha
,
Appl. Phys. Express
8
,
084401
(
2015
).
23.
Y.
Tokura
,
W. G.
van der Wiel
,
T.
Obata
, and
S.
Tarucha
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
047202
(
2006
).
24.
L.
Gaudreau
,
G.
Granger
,
A.
Kam
,
G. C.
Aers
,
S. A.
Studenikin
,
P.
Zawadzki
,
M.
Pioro-Ladrière
,
Z. R.
Wasilewski
, and
A. S.
Sachrajda
,
Nat. Phys.
8
,
54
58
(
2012
).
25.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4945592 for the validity of the DQD approximation and fitting the Rabi oscillations.
26.
J. M.
Elzerman
,
R.
Hanson
,
L. H.
Willems van Beveren
,
B.
Witkamp
,
L. M. K.
Vandersypen
, and
L. P.
Kouwenhoven
,
Nature
430
,
431
435
(
2004
).
27.
K. C.
Nowack
,
M.
Shafiei
,
M.
Laforest
,
G. E. D. K.
Prawiroatmodjo
,
L. R.
Schreiber
,
C.
Reichl
,
W.
Wegscheider
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Science
333
,
1269
(
2011
).
28.
J. R.
Petta
,
H.
Lu
, and
A. C.
Gossard
,
Science
327
,
669
(
2010
).
29.
S.
Chesi
,
Y.-D.
Wang
,
J.
Yoneda
,
T.
Otsuka
,
S.
Tarucha
, and
D.
Loss
,
Phys. Rev. B
90
,
235311
(
2014
).
30.
J. M.
Taylor
,
J. R.
Petta
,
A. C.
Johnson
,
A.
Yacoby
,
C. M.
Marcus
, and
M. D.
Lukin
,
Phys. Rev. B
76
,
035315
(
2007
).
31.
A. C.
Johnson
,
J. R.
Petta
,
J. M.
Taylor
,
A.
Yacoby
,
M. D.
Lukin
,
C. M.
Marcus
,
M. P.
Hanson
, and
A. C.
Gossard
,
Nature
435
,
925
928
(
2005
).
32.
C.
Barthel
,
D. J.
Reilly
,
C. M.
Marcus
,
M. P.
Hanson
, and
A. C.
Gossard
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
160503
(
2009
).
33.
D. J.
Reilly
,
C. M.
Marcus
,
M. P.
Hanson
, and
A. C.
Gossard
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
162101
(
2007
).
34.
C.
Barthel
,
M.
Kjærgaard
,
J.
Medford
,
M.
Stopa
,
C. M.
Marcus
,
M. P.
Hanson
, and
A. C.
Gossard
,
Phys. Rev. B
81
,
161308(R)
(
2010
).
35.
F. H. L.
Koppens
,
J. A.
Folk
,
J. M.
Elzerman
,
R.
Hanson
,
L. H.
Willems van Beveren
,
I. T.
Vink
,
H. P.
Tranitz
,
W.
Wegscheider
,
L. P.
Kouwenhoven
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Science
309
,
1346
(
2005
).
36.
R.
Hanson
,
L. P.
Kouwenhoven
,
J. R.
Petta
,
S.
Tarucha
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Rev. Mod. Phys.
79
,
1217
(
2007
).
37.
C. E.
Pryor
and
M. E.
Flatté
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
026804
(
2006
).
38.
We used MATHEMATICA RADIA package available at http://www.esrf.fr/ for MM field calculations.
39.
F. H. L.
Koppens
,
D.
Klauser
,
W. A.
Coish
,
K. C.
Nowack
,
L. P.
Kouwenhoven
,
D.
Loss
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
106803
(
2007
).
40.
M. R.
Delbecq
,
T.
Nakajima
,
P.
Stano
,
T.
Otsuka
,
S.
Amaha
,
J.
Yoneda
,
K.
Takeda
,
G.
Allison
,
A.
Ludwig
,
A. D.
Wieck
, and
S.
Tarucha
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
046802
(
2016
).
41.
T.
Takakura
,
M.
Pioro-Ladrière
,
T.
Obata
,
Y.-S.
Shin
,
R.
Brunner
,
K.
Yoshida
,
T.
Taniyama
, and
S.
Tarucha
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
212104
(
2010
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.