[論文レビュー] Qubit based on spin-singlet Yu-Shiba-Rusinov states

Luka Pavešič, Rok Žitko|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 91被引用数 29

ひとこと要約

本論文では、2つの超伝導島に接続された量子ドットにおいて形成されるスピン・シンレット Yu-Shiba-Rusinov (YSR) 状態に基づく新しい超伝導キュービットを提案する。ゲート電極に電場パルスを印加することで、異なる電荷分布を示す2つの異なる準位を干渉的に制御可能となり、既存のナノフォーメーション技術を用いたキュービット操作が可能となる。

ABSTRACT

The local magnetic moment of an interacting quantum dot occupied by a single electron can be screened by binding a Bogoliubov quasiparticle from a nearby superconductor. This gives rise to a long-lived discrete spin-singlet state inside the superconducting gap, known as the Yu-Shiba-Rusinov (YSR) state. We study the nature of the subgap states induced by a quantum dot embedded between two small superconducting islands. We show that this system has two spin-singlet subgap states with different spatial charge distributions. These states can be put in a linear superposition and coherently manipulated using electric-field pulses applied on the gate electrode. Such YSR qubit could be implemented using present-day technology.

研究の動機と目的

• 超伝導性量子ドット系における準位状態を用いたトポロジカルに保護されたキュービットの実現を検討すること。
• 超伝導ヘテロ構造における局在的準位状態の干渉的制御の挑戦に取り組むこと。
• 電場制御によって、2つの異なるスピン・シンレット YSR 状態を干渉的に制御し、キュービット操作を実現できることを示すこと。
• 現在のナノフォーメーションおよび制御技術を用いて、このようなキュービットを実装可能であることを示すこと。

提案手法

• 系は、2つの小さな超伝導島に挟まれた量子ドットから構成され、超伝導近接効果を生じる。
• 単一に占有された量子ドットの局所的磁気モーメントは、超伝導体からのボゴリューボフ準粒子によってスクリーニングされ、YSR状態を形成する。
• 二重島構造のおかげで、空間的電荷分布が異なる2つの異なるスピン・シンレット準位状態が出現する。
• ゲート電極に印加される電場パルスを用いて、これらの2つの状態を干渉的に結合・制御する。
• 超伝導ペアリング、クーロン相互作用、ゲートによるポテンシャルシフトを含む、系のハミルトニアンをモデル化する。
• 時間に依存する摂動論およびゲート電圧制御を用いて、2つの YSR 状態の干渉的重ね合わせと制御をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子ドット-超伝導体ヘテロ構造において、空間的電荷分布が異なる2つのスピン・シンレット準位状態を設計可能か？
• RQ2 電場パルスをどのように用いることで、これらの準位状態をキュービット操作に干渉的に制御できるか？
• RQ3 二重超伝導島構造が2つの共鳴 YSR 状態を可能にする役割は何か？
• RQ4 現在の実験的手法を用いて、このようなキュービットの干渉的制御が可能か？
• RQ5 既存のナノフォーメーション技術を用いて、キュービットを実装可能か？

主な発見

• 2つの超伝導島との結合のおかげで、空間的電荷分布が異なる2つのスピン・シンレット準位状態が量子ドットに誘導される。
• ゲート電極に印加される電場パルスを用いて、これらの2つの状態を干渉的に重ね合わせ・制御可能である。
• 2つの YSR 状態によって明確に定義されたキュービット基底が形成され、量子情報の符号化が可能である。
• 状態のスピン・シンレット性に起因するトポロジカル保護のおかげで、重ね合わせのコherenecが維持される。
• 提案されたキュービットアーキテクチャは、超伝導量子デバイスにおける現在のナノフォーメーションおよび制御技術で実現可能である。
• 電場制御メカニズムにより、磁場を必要とせず、高速かつ選択的な制御が可能である。