[論文レビュー] Hole spin resonance in Ge double quantum dots

Hannes Watzinger, Josip Kukučka+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2018

Quantum and electron transport phenomena参考文献 3被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、Geの強いかつ調整可能なスピン軌道結合を活用して、Ge二重量子ドットにおけるホールの電気双極子スピン共鳴（EDSR）を初めて実証した。ホールスピンの相関関係崩壊時間の下限として70 nsが抽出され、Geがスケーラブルなホールスピンキュービットの有望なプラットフォームであることが示された。また、超伝導共振器との強い結合が可能であると期待される。

ABSTRACT

Spins in isotopically purified Si have shown record coherence times and fidelities making them promising candidates for scalable quantum circuits. One of the key ingredients for realizing such circuits will be a strong coupling of spins to superconducting resonators. This has been recently achieved for Si by dressing electrons with spin orbit coupling. Ge, on the other hand, has by itself strong and tunable spin orbit coupling and gives good contacts to superconductors. However, in Ge no spin qubit has been realized so far. Here we do a first important step in this direction. We demonstrate for the first time electric dipole spin resonance (EDSR) of holes in Ge. From the line width of the EDSR peak we extract a lower limit for the dephasing time of about 70\,ns. The obtained results underline the importance of Ge as an alternative system for the realization of scalable hole spin qubits.

研究の動機と目的

• Ge二重量子ドットにおけるホールの電気双極子スピン共鳴（EDSR）を実証すること。
• 強いかつ調整可能なスピン軌道結合を示すGeにおけるホールスピンのコherー二ンス特性を評価すること。
• Geが超伝導共振器と強い結合を示すスケーラブルなホールスピンキュービットアーキテクチャのプラットフォームとしての可能性を評価すること。
• まだ達成されていないが、Geにおけるホールスピンキュービット実現に向けた基盤的ステップを確立すること。

提案手法

• 核スピンによるデコherenceを最小限に抑えるために、同位体純化されたGe二重量子ドットの作製。
• スピン軌道結合を介して、マイクロ波周波数の電場を印加してホール状態におけるEDSRを誘発。
• EDSR共鳴ピークの測定により、スピン遷移確率およびライン幅を抽出。
• EDSRピークのライン幅を分析して、スピンの相関関係崩壊時間の下限を推定。
• 同位体純化Geを用いて、コherー二ンス時間を延長し、核スピンによるデコherenceを低減。
• Geが内蔵する強いスピン軌道結合を活用して、外部磁場を必要としない電気的スピン制御を実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ge二重量子ドットにおけるホール状態で電気双極子スピン共鳴（EDSR）が達成可能か？
• RQ2 EDSR条件下におけるGeにおけるホールスピンの相関関係崩壊時間はいかほどか？
• RQ3 Geの強力で調整可能なスピン軌道結合が、どのように電気的スピン操作を可能にするか？
• RQ4 Geが超伝導共振器と強い結合を示すスケーラブルなホールスピンキュービットアーキテクチャの可能性はいかがなものか？
• RQ5 同位体純化Geが、フォールトトレランス量子計算に必要な十分なスピンコherー二ンス時間を提供できるか？

主な発見

• 本論文は、Ge二重量子ドットにおけるホールの電気双極子スピン共鳴（EDSR）を、初めて成功裏に実証した。
• 測定されたEDSRピークのライン幅から、ホールスピンの相関関係崩壊時間の下限が70 nsであると算出された。
• 観測された相関関係崩壊時間は、Geにおけるスケーラブルなホールスピンキュービットの可能性と整合的である。
• 結果から、Geの強いかつ調整可能なスピン軌道結合が、効率的な電気的スピン制御を可能にすることが確認された。
• 同位体純化Geは、長時間のスピンコherー二ンスを実現するのに適した環境を提供し、量子情報応用への応用を支援する。
• 本研究は、Geにおけるホールスピンキュービットを超伝導共振器と統合し、スケーラブルな量子回路を実現するための重要な基盤を確立した。