[論文レビュー] Noise suppression and long-range exchange coupling for gallium arsenide spin qubits

Filip K. Malinowski|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2017

Quantum and electron transport phenomena参考文献 118被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、ゲートで定義された量子ドットを用いて、ガリウムヒ素スピンキュービットにおけるノイズ抑制と長距離交換結合を示している。対称的量子ドット構成とダイナミカルデカップリングを活用することで、著者らはスイングルトライオネットキュービットのコherenecesを6倍向上させ、電子スピンコherenecesを870 µsまで延長した。また、多数電子を有する中間体ドットを介して、チューナブルで長距離の交換結合を実現した。

ABSTRACT

This thesis presents the results of the experimental study performed on spin qubits realized in gate-defined gallium arsenide quantum dots, with the focus on noise suppression and long-distance coupling.

研究の動機と目的

• 対称的量子ドット構成を用いて、ガリウムヒ素スピンキュービットの電荷ノイズへの感受性を低減すること。
• 適切に設計されたダイナミカルデカップリングシーケンスを用いて、オーバーハウザー場ノイズを測定および抑制すること。
• 多数電子を有する量子ドットを中間体として、遠く離れた電子間の長距離交換結合を実証すること。
• 異なる電荷占有状態における多数電子量子ドット内の基底状態スピンを同定すること。
• 多数電子中間体における低ノイズ電圧領域を活用して、高精度の長距離2キュービットゲートを実現すること。

提案手法

• ゲートで定義されたガリウムヒ素量子ドットを用い、トンネル結合を調整可能にし、ゲート電圧勾配を最小限に抑える対称的構成を採用した。
• ダイナミカルデカップリングシーケンス（XY8）を適用し、メガヘルツ周波数帯域の狭帯域オーバーハウザーノイズをノッチフィルタリングした。
• 1ショットスピン読み出しと量子プロセストモグラフィーを用いて、キュービットコherenecesと交換振動を特徴付けた。
• 多数電子量子ドットの9つの電荷占有状態にわたる系統的測定を実施し、基底状態スピン配置をマッピングした。
• 電荷遷移付近のゲート電圧スイープを設計し、偶数占有のスピン1/2ドットにおける交換相互作用の符号と強度を調整した。
• スピン0の多数電子中間体ドットを介して、遠く離れたスピン1キュービット間のコヒーレントな交換結合を実証した。結合強度は最大数ギガヘルツまでチューニング可能であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対称的量子ドット構成は、スイングルトライオネットキュービットおよび共鳴交換キュービットにおける電荷ノイズをどのように低減するか？
• RQ2 ガリウムヒ素におけるオーバーハウザー場ノイズのスペクトル構造は何か？ また、それを効果的に抑制できるか？
• RQ3 多数電子量子ドットは、遠く離れた電子間の長距離交換結合を媒介できるか？
• RQ4 スピン1/2の多数電子ドットと単一スピン間の交換相互作用は、ゲート電圧および電荷占有状態にどのように依存するか？
• RQ5 多数電子ドット内で、電荷ノイズ感受性が低下する電圧領域は存在するか？ そのような領域があれば、高精度の2キュービットゲートが可能になるか？

主な発見

• 対称的量子ドット操作により、二重ドットスイングルトライオネット交換振動の品質因子が6倍向上した。
• ガリウムヒ素における電子スピンコhereneces時間は870 µsまで延長され、これまでに測定された最高の下限を設定した。
• 1 mHz〜1 kHz範囲のオーバーハウザー場ノイズは古典的スピン拡散に従うが、メガヘルツ帯域のノイズは、3種の核アイソトープのラーモア歳差運動に起因する3つの狭帯域に集中している。
• 偶数占有、スピン1/2の多数電子量子ドットにおいて、電荷遷移付近の数mVのゲート電圧スイープにより、隣接する電子との交換相互作用の符号が反転した。
• スピン0の多数電子中間体ドットを介して、遠く離れた電子間の長距離交換結合を実証した。結合強度は最大数ギガヘルツまでチューニング可能であった。
• 特定の電圧領域では、小さな準位間隔と多数体効果により、電荷ノイズ感受性が低減しており、高精度の2キュービット操作が可能となった。