[論文レビュー] Coherent spin-qubit photon coupling

Andreas Landig, Jonne Koski+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2017

Quantum and electron transport phenomena被引用数 66

ひとこと要約

この論文はNbTiNの高インピーダンス共振器中の単一マイクロ波光子とGaAs三量子ドットの三電子スピン-クォービットとの強結合を実証し、真空 Rabi モード分割を観測した。g/2π ≈ 31.4 MHz および γ2/2π ≈ 19.6 MHz。

ABSTRACT

Electron spins hold great promise for quantum computation due to their long coherence times. An approach to realize interactions between distant spin-qubits is to use photons as carriers of quantum information. We demonstrate strong coupling between single microwave photons in a NbTiN high impedance cavity and a three-electron spin-qubit in a GaAs triple quantum dot. We resolve the vacuum Rabi mode splitting with a coupling strength of $g/2π\simeq31$ MHz and a qubit decoherence of $γ_2/2π\simeq 20$ MHz. We can tune the decoherence electrostatically and obtain a minimal $γ_2/2π\simeq 10$ MHz for $g/2π\simeq 23$ MHz. The dependence of the qubit-photon coupling strength on the tunable electric dipole moment of the qubit is measured directly using the ac Stark effect. Our demonstration of strong spin-photon interaction is an important step towards coherent long-distance coupling of spin-qubits.

研究の動機と目的

• Long-distance quantum information transfer using photons to connect electron-spin qubits with long coherence timesを動機付ける。
• Realize strong coherent coupling between a spin-qubit and a single microwave photon in a circuit QED architecture.
• 電気的調整がqubit-photon couplingとqubit decoherenceに与える影響を特徴づける。
• Show that the observed coupling satisfies the strong coupling criterion and map the qubit energy landscape for optimized interaction.

提案手法

• 大きな Z_r ~ 1.3 kΩ によってスピン-フォトン結合を強化する NbTiN 高インピーダンス共振器を使用する。
• 調整可能な Detuning Δ および 非対称性 ε を持つ GaAs 三量子ドットで三電子スピン-クォービットを実装して qubit 状態を形成する。
• 左量子ドットの plunger gate を共振器に結合させて電気偶極子結合を実現する。
• スピン-クォービットを共振器と共鳴させて真空 Rabi モード分割を観測し、入力-出力理論でフィットして g と γ2 を抽出する。
• 分散 regime におけるac Stark shift測定と共振器周波数シフトを介して g を較正する。
• qubit のエネルギー地形を最適化して相互作用を強化するダブルスイートスポット (DSS) を探索し、ε および Δ の変動に対するクワントのエネルギー感度の低下をマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GaAs 三量子ドットのスピン-クォービットが circuit QED 設定で単一マイクロ波光子と強いコヒーレント結合を達成できるか？
• RQ2 Detuning Δ および電荷混入 (ε, Δ) が qubit-photon coupling 力 g および qubit decoherence γ2 にどのように影響するか？
• RQ3 ac Stark shift 測定はこの系における g を直接的に、較正不要で扱える手掛かりを提供するか？
• RQ4 観測されたスピン-クォービット–フォトン系は、ダブルスイートスポットを含む動作点の範囲で強結合の基準を満たすか？
• RQ5 これらの結果は、量子情報処理における長距離スピン-クォービット・インターコネクトの拡張性にどのような意味を持つか？

主な発見

• Vacuum Rabi mode splitting observed when the spin-qubit is in resonance with the resonator, yielding g/2π = (31.4 ± 0.3) MHz and γ2/2π = (19.6 ± 0.5) MHz.
• Strong coupling regime evidenced by 2g > κ/2 + γ2, with κ/2π = 47.1 MHz at low photon occupation (<1).
• Decoherence γ2 can be electrostatically tuned; minimal γ2/2π ≈ 10 MHz occurs for g/2π ≈ 23 MHz, indicating improved coherence at more spin-like (1,1,1) states.
• Coupling strength g increases with Δ due to greater admixture of charge states, as shown by ac Stark shift calibrations.
• The ac Stark shift enables direct access to g and confirms single-photon regime (average photon number ≈ 0.3 at the Rabi splitting measurement).
• Demonstrates scalable spin-photon coupling platform in materials without relying on ferromagnets or strong spin-orbit coupling, with potential transfer to low-hyperfine hosts.