[論文レビュー] Ideal refocusing of an optically active spin qubit under strong hyperfine interactions

Leon Zaporski, Noah Shofer+16 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、歪みを除去することで格子整合性のあるGaAs-AlGaAs量子ドットにおける電子スピンコherenceのほぼ理想の再焦点化を実証し、コherence時間0.113 msを超える結果を得た。これは従来のデバイスと比較して約2桁長い。高精度な光学πパルスゲートと最大81パルスのダイナミカルデカップリングを用いて、T₂スケーリングがNπ^0.75(2)であるのを観測し、核スピンバスタイとの強いハイパーファイン相互作用の効果的抑制を示した。

ABSTRACT

Combining highly coherent spin control with efficient light-matter coupling offers great opportunities for quantum communication and networks, as well as quantum computing. Optically active semiconductor quantum dots have unparalleled photonic properties, but also modest spin coherence limited by their resident nuclei. Here, we demonstrate that eliminating strain inhomogeneity using lattice-matched GaAs-AlGaAs quantum dot devices prolongs the electron spin coherence by nearly two orders of magnitude, beyond 0.113(3) ms. To do this, we leverage the 99.30(5)% fidelity of our optical pi-pulse gates to implement dynamical decoupling. We vary the number of decoupling pulses up to N = 81 and find a coherence time scaling of N^{0.75(2)}. This scaling manifests an ideal refocusing of strong interactions between the electron and the nuclear-spin ensemble, holding the promise of lifetime-limited spin coherence. Our findings demonstrate that the most punishing material science challenge for such quantum-dot devices has a remedy, and constitute the basis for highly coherent spin-photon interfaces.

研究の動機と目的

• 歪み誘発のハイパーファイン相互作用によって引き起こされる、光学活性なIII-V量子ドットにおける電子スピンコherenceの短命という主な制限要因を克服すること。
• 格子整合性のあるGaAs-AlGaAs量子ドットが歪み不均一性を排除できることを示し、スピンコherence時間を延長できることを実証すること。
• 高精度な光学πパルスゲートとダイナミカルデカップリングを用いて、強いハイパーファイン相互作用の理想の再焦点化を達成すること。
• さらなるコherence時間延長を可能にする材料工学的道筋を同定すること。
• スケーラブルな量子ネットワークやコンピューティングプラットフォームにおける高精度で長寿命のスピン光インターフェースの基盤を確立すること。

提案手法

• 歪みを最小限に抑えるために分子線エpitaxyを用いて格子整合性のあるGaAs-AlGaAs量子ドットを形成した。
• 光・物質結合を強化し、効率的な光学制御を可能にするために、n-i-pデバイス構造に立方晶ジルコニアのスーパーハイミスフェリカルレンズ（SIL）を組み込んだ。
• 共鳴蛍光とレーザー駆動Rabi振動を用いて、1回のスピン初期化と読み出しを実施した。レーザーRabi周波数は約0.3Γであった。
• 高精度な光学πゲート（99.30(5)%の忠実度）を用いて最大81パルスのダイナミカルデカップリングを実装し、デコherenceを抑制した。
• デカップリングパルス数（Nπ）の関数として電子スピンコherence時間（T₂）を測定し、Nπ^0.75(2)のスケーリングを観測した。
• 微視的シミュレーションを用いた理論的モデリングにより、観測されたT₂スケーリングがハイパーファイン相互作用パラメータβと電子g因子に関連することを示し、理想の再焦点化領域の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 歪みのない格子整合性のあるGaAs-AlGaAs量子ドットは、従来の歪みを含む量子ドットと比較して、電子スピンコherence時間を著しく延長できるか？
• RQ2 高精度な光学πパルスを用いたダイナミカルデカップリングは、スピンキュービットにおける強いハイパーファイン相互作用をどの程度理想の再焦点化に近づけるか？
• RQ3 コherence時間はデカップリングパルス数に対してどのようにスケーリングするか？ また、核スピンバスタイの揺らぎがほぼ理想に抑制されていると示唆するか？
• RQ4 波動関数が広がった核サブアンサンブル（200 kHzの四極子幅拡散）と重なる割合βやg因子といった材料パラメータは、達成可能なコherence時間にどのように影響を与えるか？
• RQ5 光学活性スピンキュービットにおけるコherence時間の寿命限界に近づけるための、どのようなエンジニアリング戦略が有効か？

主な発見

• 格子整合性のあるGaAs-AlGaAs量子ドットでは、電子スピンコherence時間が0.113(3) msにまで延長され、従来の歪みを含むデバイスと比較して約2桁の改善が達成された。
• デカップリングパルス数Nπに対するT₂スケーリングがNπ^0.75(2)であることは、強いハイパーファイン相互作用のほぼ理想の再焦点化を示しており、理論的コherence保護限界に近づいていることを示している。
• 高精度な光学πゲート操作（99.30(5)%の忠実度）により、正確なダイナミカルデカップリングが可能となり、ゲートの不正確性がコherence時間の制限要因でないことを確認した。
• 理論的モデリングにより、β（電子波動関数が200 kHzの四極子幅拡散核サブアンサンブルと重なる割合）をゼロにすることで、コherence時間が1 msを超える可能性があると示された。
• より高い磁場や強化されたg因子により電子ゼーマンエネルギーを増加させることで、さらなるコherence時間の延長が可能であり、シミュレーションでは最適条件下でT₂ > 1 msの達成が示唆された。
• 本結果により、ハイパーファイン結合の歪み誘発不均一性という主な材料的課題が克服可能であることが示され、次世代の長寿命で光学活性なスピンキュービットの実現が可能になった。