[論文レビュー] Fully tunable hyperfine interactions of hole spin qubits in Si and Ge quantum dots

Bosco, Stefano, Loss, Daniel|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2021

Quantum and electron transport phenomena被引用数 61

ひとこと要約

本論文は、シリコンおよびゲルマニウム量子ドット内のホールスピンキュービットにおけるハイパーファイン相互作用が、デバイス設計および外部電場によって完全に調整可能であり、ハイパーファインノイズが10倍低減可能であることを示している。細長い量子ドットにおける強いスピン軌道結合を活用することで、ハイパーファインノイズと電荷ノイズの両方が同時に最小化される調整可能な「スイートスポット」を同定し、同定された点では、同位体純化を要せずとも、qubitのコherー二ンスとゲート忠実度が著しく向上する。

ABSTRACT

Hole spin qubits are frontrunner platforms for scalable quantum computers, but state-of-the-art devices suffer from noise originating from the hyperfine interactions with nuclear defects. We show that these interactions have a highly tunable anisotropy that is controlled by device design and external electric fields. This tunability enables sweet spots where the hyperfine noise is suppressed by an order of magnitude and is comparable to isotopically purified materials. We identify surprisingly simple designs where the qubits are highly coherent and are largely unaffected by both charge and hyperfine noise. We find that the large spin-orbit interaction typical of elongated quantum dots not only speeds up qubit operations, but also dramatically renormalizes the hyperfine noise, altering qualitatively the dynamics of driven qubits and enhancing the fidelity of qubit gates. Our findings serve as guidelines to design high performance qubits for scaling up quantum computers.

研究の動機と目的

• ホールスピンキュービットにおける主なデ coherent 化要因である、SiおよびGe量子ドット内の核欠陥と相互作用するハイパーファイン相互作用を解消すること。
• これらのハイパーファイン相互作用が、外部電場およびデバイス幾何形状によって設計可能・調整可能かどうかを調査すること。
• ハイパーファインノイズと電荷ノイズの両方が最小化される最適な動作点を同定し、キュービットのコherー二ンスを向上させること。
• 直接ラシバスピン軌道結合（DRSOI）とハイパーファイン相互作用の相乗効果を解明し、キュービットダイナミクスおよびゲート忠実度に与える影響を明らかにすること。
• FinFETを含む現実的なデバイス構造におけるスケーラブルで高性能なホールスピンキュービットの設計指針を提供すること。

提案手法

• 長軸に垂直な外部電場 Ey を含む、閉じ込めポテンシャルとLuttinger-Kohnハミルトニアンを用いてホール量子ドット系をモデル化する。
• シュレーディンガー方程式を数値的に解き、スピンループ波動関数 ψH,L(ρ) およびスピン軌道長 lSO を電場 Ey に依存して求める。
• スピン分解波動関数とDRSOIによる位相回転を用いて、ハイパーファイン結合行列 Γ(r) と g 因子テンソル gij を計算する。
• スピンスイングル状態にハイパーファインおよびゼーマンハミルトニアンを射影し、オーバーハウザー場 h 及びその共分散行列 Σ を導出する。
• 核スピンのガウスノイズモデルを用いて、qubitの位相崩壊時間 T0 と遷移確率 P(t) を計算し、ガウス的およびパワー則的減衰成分を併用する。
• 時間依存場の下でのスピンダイナミクスを、ℏω ≫ √Σii の仮定の下で、解析的近似を適用して取り扱う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SiおよびGe量子ドット内のホールスピンキュービットにおけるハイパーファイン相互作用は、外部電場およびデバイス幾何形状によって完全に調整可能か？
• RQ2 ホールスピンキュービットにおいて、ハイパーファインノイズと電荷ノイズの両方が同時に低減される条件は何か？
• RQ3 強い直接ラシバスピン軌道相互作用（DRSOI）は、ハイパーファインノイズをどのように再正規化し、駆動実験におけるキュービットダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 DRSOIは、ホールスピンキュービットにおける電気的駆動単一キュービットゲートの忠実度にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 ハイパーファイン相互作用の調整可能性は、同位体純化を要せずとも高コherー二ンスキュービットを実現可能にするか？

主な発見

• 最適化されたデバイス設計により、ハイパーファインノイズが10倍低減され、同位体希釈を要せずとも同位体純化材料と同等のコherー二ンスが達成可能である。
• Si FinFETでは、ハイパーファインノイズと電荷ノイズの両方が同時に低減される作動点が存在し、キュービットのコherー二ンスが著しく向上する。
• DRSOIによって誘発されるスピン軌道長 lSO は、ハイパーファインノイズを強く再正規化し、ガウス的減衰からガウス的およびパワー則的減衰の組み合わせにダイナミクスを変化させる。
• 自然なSiおよびGe量子ドット（約10^4原子）では、特徴的な位相崩壊時間 T0 はSiで約0.36 µs、Geで約0.11 µsであり、調整によって著しく延長可能である。
• DRSOIとハイパーファイン相互作用の相乗効果により、駆動キュービットダイナミクスに定性的な変化が生じ、ゲート忠実度が向上し、より高速かつ高コherー二ンスな操作が可能になる。
• 解析的フレームワークは、ハイパーファイン幅がラビ周波数と同等に近い場合でも長時間スピン崩壊を正確に捉えており、現実的なパrameter領域における近似モデルの有効性を裏付けている。