[論文レビュー] Light-mass hole-spin qubits formed in a Ge quantum well

L. A. Terrazos, André Saraiva+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、強いスピン軌道結合と低い有効質量（約0.05 m₀）を活用して高速で電気的に制御可能な量子ビット操作を実現する、Ge量子井戸における軽量質量のホールスピン量子ビットを、量子計算の有望なプラットフォームとして提案している。第一原理計算により、100 meVを超える大きな軽い・重いホールのエネルギー差が得られ、スピン0の核種の天然存在度も高いことが判明し、長寿命のコherences時間と低減されたデコherenceを実現可能である。

ABSTRACT

We argue, supported by \emph{ab initio} calculations, that hole spins in a Si$_{x}$Ge$_{1-x}$/Ge/ Si$_{x}$Ge$_{1-x}$ quantum well possess highly desirable properties as qubits, including a large ($>$100~meV) intrinsic splitting between the light and heavy hole bands and a very light ($\sim$0.05$\, m_0$) effective mass along the well direction, and a high natural abundance of nuclear spin-0 isotopes. Compared to electrons in quantum dots, such hole qubits benefit from larger size, and do not suffer from the presence of nearby quantum levels (e.g., valley states) that can detract from the operation of silicon electron-spin qubits. The strong spin-orbit coupling in Ge quantum wells may be harnessed to implement electric dipole spin resonance.

研究の動機と目的

• Ge量子井戸内のホールスピンが、量子情報処理用に頑健な量子ビットとして実現可能かどうかを検討すること。
• バッテリー状態や核スピンからのデコherenceといった、シリコンにおける電子スピン量子ビットの限界を克服すること。
• Ge量子井戸の特異な電子的およびスピン的性質を活用して、量子ビットのコherences時間と制御性を向上させること。
• ホール系における強いスピン軌道結合を活用して、電気双極子スピン共鳴による全電気的量子ビット制御を実現すること。

提案手法

• SiₓGe₁₋ₓ/Ge/SiₓGe₁₋ₓ量子井戸におけるホール状態のバンド構造と有効質量を決定するため、第一原理計算を実施する。
• 量子ビットエネルギー準位の分離度を評価するために、軽いホール帯と重いホール帯のエネルギー差を分析する。
• 量子井戸方向におけるホールの有効質量を評価し、量子ビットのコherences時間とゲート速度を推定する。
• ハイパーファインデコherenceの抑制を推定するため、Geに存在する核スピン0の核種の天然存在度を評価する。
• ホール系における強いスピン軌道結合を活用した電気双極子スピン共鳴の可能性を評価する。
• デコherenceの原因と制御メカニズムの観点から、ホールスピン量子ビットプラットフォームとシリコン量子ドットにおける電子スピン量子ビットを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ge量子井戸内のホールスピンは、他の準位から量子ビット状態を十分に分離できるほど十分に大きなバンド分裂を示すか？
• RQ2 量子井戸方向におけるホールの有効質量はどの程度であり、量子ビットのコherences時間とゲート速度にどのように影響するか？
• RQ3 Geに存在する核スピン0の核種は、ホールスピン量子ビットにおけるデコherenceをどの程度低減するか？
• RQ4 Geにおける強いスピン軌道結合は、高速で全電気的制御が可能な電気双極子スピン共鳴を実現可能か？
• RQ5 デコherenceと制御の観点から、ホールスピン量子ビットプラットフォームは、シリコン量子ドットにおける電子スピン量子ビットと比較してどの程度優れているか？

主な発見

• Ge量子井戸における軽いホール帯と重いホール帯の間には、100 meVを超える大きな固有のエネルギー差が存在し、量子ビット状態の頑健な分離が可能である。
• 井戸方向におけるホールの有効質量は約0.05 m₀と推定され、高い移動度と高速ゲート操作の可能性を示している。
• Geに高い天然存在度を示す核スピン0の核種が存在するため、ハイパーファイン誘導デコherenceが顕著に低減される。
• Geにおける強いスピン軌道結合のおかげで、電気双極子スピン共鳴の実装が可能となり、全電気的量子ビット制御が実現可能である。
• 低エネルギーのバルク状態が存在せず、電子ドットと比較してホール量子ビットがより大きいサイズであるため、不要な相互作用が低減され、量子ビットの忠実度が向上する。
• 大きなバンド分裂、軽い有効質量、および抑制されたデコherenceの組み合わせにより、本システムはスケーラブルな量子計算にとって極めて有望である。