[論文レビュー] Fast spin exchange between two distant quantum dots

Filip K. Malinowski, Frederico Martins+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2018

Quantum and electron transport phenomena参考文献 32被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、50〜100個の電子を含む大きな多電子量子ドットを介して、2つの遠く離れた量子ドット間で高速かつ電圧制御可能なスピン交換を実証している。ゲート電圧を調整して電子のトンネルと交換結合を制御することで、マイクロメーター距離においてギガヘルツスケールの2キュービット相互作用レートを達成し、相互作用の符号を調整可能にするとともに、電荷ノイズに対して頑健である。これにより、スケーラブルなスピンキュービットアーキテクチャの実現が可能となる。

ABSTRACT

The Heisenberg exchange interaction between neighboring quantum dots allows precise voltage control over spin dynamics, due to the ability to precisely control the overlap of orbital wavefunctions by gate electrodes. This allows the study of fundamental electronic phenomena and finds applications in quantum information processing. Although spin-based quantum circuits based on short-range exchange interactions are possible, the development of scalable, longer-range coupling schemes constitutes a critical challenge within the spin-qubit community. Approaches based on capacitative coupling and cavity-mediated interactions effectively couple spin qubits to the charge degree of freedom, making them susceptible to electrically-induced decoherence. The alternative is to extend the range of the Heisenberg exchange interaction by means of a quantum mediator. Here, we show that a multielectron quantum dot with 50-100 electrons serves as an excellent mediator, preserving speed and coherence of the resulting spin-spin coupling while providing several functionalities that are of practical importance. These include speed (mediated two-qubit rates up to several gigahertz), distance (of order of a micrometer), voltage control, possibility of sweet spot operation (reducing susceptibility to charge noise), and reversal of the interaction sign (useful for dynamical decoupling from noise).

研究の動機と目的

• スケーラブルなスピンキュービット量子コンピューティングアーキテクチャにおける長距離スピン-スピン結合の課題に取り組む。
• 電荷ノイズやデコherenceに起因しやすい容量結合やキャビティ中継結合の限界を克服する。
• 多電子中継体を用いて、遠く離れた量子ドット間で頑健で電圧制御可能かつ高速なスピン交換機構を開発する。
• 相互作用の符号を動的に制御し、電荷ノイズの甘いスポットで動作することで、コherenceを向上させる。
• 標準的なゲート定義量子ドットを用いたスケーラブルなデバイスアーキテクチャにおいて、実験的に実現可能な高速スピン交換を実証する。

提案手法

• ガリウムヒ素の2次元電子系に静電的ゲート電極を用いて定義された5つの量子ドットからなる線形アレイを用いる。
• 中央の多電子ドット（50〜100個の電子）を量子中継体として用い、2つの外側の二重量子ドット間のスピン交換を可能にする。
• サブマイクロ秒スケールのゲート電圧パルスを印加して電子の局在を制御し、中継体ドットを通じた仮想トンネルにより交換結合を誘発する。
• 以下の手順を実施する：二重ドットをスイングル状態に初期化し、電子を分離して基準スピンを生成し、パルスを印加して交換結合 $ J $ を誘発し、スピン-電荷変換を用いてスピン相関を測定する。
• ゲート電圧パルスの有限上昇時間の影響をシミュレートするため、現象論的モデルを導入し、実験的歪みを補正する。
• 有効交換相互作用 $ J_{\text{eff}} \approx \frac{2t_1^2}{\Delta_S} - \frac{t_2^2}{\Delta_T} $ を分析する。ここで $ t_1, t_2 $ はトンネル行列要素、$ \Delta_S, \Delta_T $ はスイングル状態およびトリプレット状態のエネルギー増加分である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大きな多電子量子ドットが、2つの遠く離れた量子ドット間で高速かつコherentなスピン交換を中継できるか？
• RQ2 交換結合の強さと符号は、中継体ドットのゲート電圧調整と電子占有状態にどのように依存するか？
• RQ3 ゲート電圧パルスの有限上昇時間効果が、観測されたスピン振動パターンに及ぼす歪みの程度はどの程度か？
• RQ4 相互作用を正（スイングル状態を有利にする）または負（トリプレット状態を有利にする）に調整可能か？その動的デカップリングへの影響は？
• RQ5 中継された交換相互作用は電荷ノイズに対して頑健か？また、電荷ノイズの甘いスポットで動作可能か？

主な発見

• 中継された2キュービット交換相互作用は最大数ギガヘルツに達し、高速な量子ゲート操作を可能にする。
• スピン交換は約1マイクロメーターの距離で実現され、コherentスピン結合の範囲が顕著に拡張された。
• 有効交換相互作用 $ J_{\text{eff}} $ はゲート電圧の調整により正または負に変更可能であり、ノイズからの動的デカップリングが可能となる。
• $(1, 2N+1, 0)/(0, 2N+1, 1)$ と $(0, 2N+2, 0)$ 間の電荷遷移付近で $ J_{\text{eff}} $ の最大値が現れ、振動データに特徴的なチェバーパターンを示す。
• ゲート電圧パルスの有限上昇時間は、特に短い相互作用時間（例：2 ns）において振動縞を歪める。これは $ \tau_0 = 0.8 $ ns を有する現象論的モデルで捉えられる。
• 電荷ノイズの甘いスポット近辺で動作するため、システムは電荷ノイズに対して頑健であり、大規模なドット間隔でもコherenceが維持される。