[論文レビュー] Dynamical suppression of fluctuations in an interacting nuclear spin bath of a self-assembled quantum dot using multiple pulse nuclear magnetic resonance

A. M. Waeber, M. Hopkinson+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2017

Quantum and electron transport phenomena参考文献 58被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、自己集合型量子ドットの相互作用する核スピン浴のフラクチュエーションを動的に抑制するため、複数パルス核磁気共鳴を用いて、組み合わせHahnエコーとソリッドエコー（CHASE）パルスシーケンスを導入する。Hahnエコー（非一様な幅拡大の抑制）とソリッドエコー（双極子結合の抑制）を組み合わせることで、CHASEシーケンスは非一様な幅拡大と双極子結合効果を低減し、実験的に標準的なHahnエコーと比較して核スピンコherーランス時間（T₂）を5倍に向上させた。

ABSTRACT

Electron spin qubit coherence in quantum dots is ultimately limited by random nuclear spin bath fluctuations. Here we aim to eliminate this randomness by making spin bath evolution deterministic. We introduce spin bath control sequences, which systematically combine Hahn and solid echoes to suppress inhomogeneous broadening and nuclear-nuclear interactions. Experiments on self-assembled quantum dots show a five-fold increase in nuclear spin coherence. Numerical simulations show that these sequences can be used to suppress decoherence via qubit-qubit interaction in point defect and dopant spin systems.

研究の動機と目的

• 量子ドットにおける電子スピンキュービットのコherーランスにかかる根本的限界を、変動する核スピン浴が原因であることを解消すること。
• ランダムな核スピンフラクチュエーションを、決定的で制御可能なダイナミクスに変換する手法を開発すること。
• 多数体スピン系において、非一様な幅拡大と核-核双極子相互作用を同時に抑制すること。
• パルスシーケンスが実際の量子ドット系における核スピンコherーランスを向上させることを、実験的および数値的に示すこと。
• より安定で制御可能なスピン浴を設計することで、キュービットと環境との分離を向上させること。

提案手法

• 非一様な幅拡大の抑制に適したHahnエコーと、双極子結合の抑制に適したソリッドエコーを組み合わせたCHASEパルスシーケンスの設計。
• パルスサイクル下での有効ハミルトニアンを厳密に解析するため、平均ハミルトニアン理論（AHT）とマグニス展開を用いる。
• 核スピン浴を記述するため、ゼーマン項（ΔνiIz,i）と双極子結合項（νij(3Iz,iIz,j − Ii·Ij)）を含むハミルトニアンモデルを用いる。
• 特定の位相（x, y, -x, -y）で交互にπ/2およびπパルスを適用し、静的および動的スピン相互作用を再フォーカスする。
• 有限パルス幅や実験的不確実性に対してロバストであるように、シーケンスサイクル（例：CHASE-10, CHASE-20, CHASE-34）を最適化する。
• 光学検出核磁気共鳴（ODNMR）実験および第一原理量子シミュレーションを用いて結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多数体核スピン浴において、非一様な幅拡大と双極子結合を同時に抑制できるパルスシーケンスを設計できるか？
• RQ2 強いクアドリポール場を有する自己集合型量子ドットにおいて、CHASEシーケンスは核スピンコherーランス時間の延長にどの程度効果的か？
• RQ3 有限持続時間のパルスがこれらのシーケンスの性能をどの程度損なうか、そしてロバスト性を維持するにはどうすればよいか？
• RQ4 CHASEシーケンスは、非一様な幅拡大が弱い点欠陥やドーパントのような他のスピン系へ一般化可能か？
• RQ5 実装上、コherーランス向上と制御オーバーヘッドの最適なバランスは何か？

主な発見

• 実験結果では、自己集合型InGaAs量子ドット内の75As核スピンに対して、CHASEシーケンスを用いることで、標準的なHahnエコーと比較して核スピンコherーランス時間（T₂）が5倍に延びた。
• CHASE-34シーケンスは、テストされたシーケンスの中で最も長いコherーランス時間を達成し、非一様に幅広がった系においてCHASE-10やCHASE-20を上回った。
• 100πパルス周期を超えるゲート時間においても、横磁化（⟨Iz⟩）が0.7以上を維持しており、長時間の制御シーケンス下でもロバストであることが示された。
• シミュレーションにより、弱い非一様な幅拡大を有する系（歪みのない量子ドットや欠陥中心など）において、CHASEシーケンスの周期的適用が位相崩壊を任意に抑制できることを確認した。
• CHASEシーケンスの性能は、有限パルス持続時間に対してもロバストであり、実際のRFパルスがわずかな振幅または位相誤差を導入しても、コherーランスを維持した。
• 複合パルス（例：BB1）のテストは行われたが、結果としてコherーランスが低下し、効率も低下したため、この用途では標準的なCHASEシーケンスがより効果的であることが示された。