[論文レビュー] Dynamical polarization of the fermion parity in a nanowire Josephson junction

Jaap J. Wesdorp, Lukas Grünhaupt+7 more|PubMed|Dec 3, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、InAsナノワイヤージョセフソン接合をLC共振器に埋め込むことで、フェルミオンパリティの決定的でマイクロ波駆動のダイナミカルな極化を実証している。適切に調整されたマイクロ波パルスを用いて、偶数パリティ状態では最大94% ± 1%、奇数パリティ状態では89% ± 1%の極化を達成し、シングルショットパリティ読み出しにより検証された。これにより、後処理やハーディングを必要とせず、パリティ選択的分光測定が可能になった。

ABSTRACT

Josephson junctions in InAs nanowires proximitized with an Al shell can host gate-tunable Andreev bound states. Depending on the bound state occupation, the fermion parity of the junction can be even or odd. Coherent control of Andreev bound states has recently been achieved within each parity sector, but it is impeded by incoherent parity switches due to excess quasiparticles in the superconducting environment. Here, we show that we can polarize the fermion parity dynamically using microwave pulses by embedding the junction in a superconducting LC resonator. We demonstrate polarization up to 94%±1% (89%±1%) for the even (odd) parity as verified by single shot parity readout. Finally, we apply this scheme to probe the flux-dependent transition spectrum of the even or odd parity sector selectively, without any postprocessing or heralding.

研究の動機と目的

• 超伝導回路における過剰準粒子による非協同的パリティスイッチの課題を克服すること。
• ゲートやフラックス設定を変更せずに、アンドレーエフ境界状態におけるフェルミオンパリティの決定的でマイクロ波ベースの制御を達成すること。
• 後処理やハーディングを必要とせず、偶数または奇数パリティ領域のパリティ選択的分光測定を可能にすること。
• マイクロ波駆動が、偶数と奇数の間の遷移率を向上させることでパリティを極化できることを実証すること。

提案手法

• ジョセフソン接合をスーパーコンダクティングLC共振器に埋め込み、分散的読み出しとマイクロ波制御を可能にする。
• 2番目のトランスミッションラインを介して、パリティ遷移率を変化させる遷移を駆動する周波数 $ f_{\mathrm{p}} $ のマイクロ波ポンピングトーンを入射する。
• 弱いプローブトーン（周波数 $ f_{\mathrm{r}} $）を用いてシングルショットパリティ読み出しを実施し、リアルタイムでのパリティ測定を可能にする。
• ポンピングトーンの周波数を磁束依存性に合わせて調整し、さまざまな磁束値において極大の極化を達成する。
• 2状態遷移率モデルを用いて、ポンピングトーンが偶数と奇数パリティ間の遷移率を10倍以上に増加させることを推定する。
• 後処理やハーディングなしで、決定的初期化後にパリティ選択的分光測定を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノワイヤージョセフソン接合におけるアンドレーエフ境界状態のフェルミオンパリティを、マイクロ波駆動でダイナミックに極化させることは可能か？
• RQ2 ゲートやフラックス調整なしに、マイクロ波制御のみで達成可能な最大のパリティ極化はどの程度か？
• RQ3 本手法を用いて、後処理やハーディングなしにパリティ選択的分光測定が可能か？
• RQ4 なぜ予想される対生成エネルギーの閾値以下で極化閾値が観測されるのか？
• RQ5 サブスレッショルド周波数でのパリティ遷移率の増幅を引き起こすメカニズムは何か？

主な発見

• 著者らは、マイクロ波ポンピングを用いて、偶数状態で最大94% ± 1%、奇数状態で89% ± 1%のパリティ極化を達成した。
• シングルショットパリティ読み出しにより極化が検証され、初期化プロトコルの信頼性が確認された。
• 2状態遷移率モデルから推定されるところ、ポンピングトーンにより偶数と奇数パリティ間の遷移率が10倍以上に増加した。
• 本手法により、さまざまな磁束値で後処理やハーディングなしにパリティ選択的分光測定が可能であることが実証された。
• 予想される対生成エネルギーの閾値以下のマイクロ波周波数でも極化が観測されたことから、混雑したスペクトルと強い駆動が関与する多光子過程が関与している可能性がある。
• 奇数パリティ初期化における残存不一致度は偶数パリティよりも高いが、これはパulses中に偶数状態への有限のポンピングレートが関係している可能性がある。