[論文レビュー] Robust poor man's Majorana zero modes using Yu-Shiba-Rusinov states

Francesco Zatelli, David van Driel+15 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、超伝導体に接続されたInSb量子ドットにおけるYu-Shiba-Rusinov (YSR) 状態を設計することで、2サイトのKitaev鎖において頑健な「アンダーワーカーのマジョラナ」ゼロモードを実証した。超伝導体との強いハイブリダイゼーションにより、エネルギーギャップが76 μeVに増大し、電荷分散が2桁低下し、電荷ノイズに対する安定性が著しく向上した。これは、実用的なトポロジカル量子ビットの応用を可能にする。

ABSTRACT

The recent realization of a two-site Kitaev chain featuring "poor man's Majorana" states demonstrates a path forward in the field of topological superconductivity. Harnessing the potential of these states for quantum information processing, however, requires increasing their robustness to external perturbations. Here, we form a two-site Kitaev chain using proximitized quantum dots hosting Yu-Shiba-Rusinov states. The strong hybridization between such states and the superconductor enables the creation of poor man's Majorana states with a gap larger than $70 \mathrm{~μeV}$. It also greatly reduces the charge dispersion compared to Kitaev chains made with non-proximitized quantum dots. The large gap and reduced sensitivity to charge fluctuations will benefit qubit manipulation and demonstration of non-abelian physics using poor man's Majorana states.

研究の動機と目的

• スケーラブルなトポロジカル量子計算を実現するため、電荷フラクチュエーションに対して頑健な「アンダーワーカーのマジョラナ」状態を向上させること。
• 従来のQDベースのKitaev鎖が示す小さなギャップと電荷ノイズへの高い感受性という限界を克服すること。
• ハイブリッドなInSb/Alナノワイヤー・プラットフォームを用いて、強い結合を持つYu-Shiba-Rusinov状態を用いた2サイトのKitaev鎖を実現すること。
• 電荷分散の顕著な低減と大きなエネルギーギャップの実現を示し、実用的な非アーベル的バーニングおよび量子ビット操作を可能にすること。

提案手法

• 2つの量子ドット（QDs）が1つの超伝導体Alセグメントに接続されたハイブリッドなInSb/Alナノワイヤー異質接合を設計した。
• プラッジャー・ゲートを用いて各QDの化学ポテンシャルを調整し、超伝導体との結合を制御した。
• QDと超伝導体との強いハイブリダイゼーションを活用してスピン極化されたYu-Shiba-Rusinov (YSR) 状態を形成した。
• 局所的コンダクタンス分光測定を実施し、アンドレーエフ境界状態（ABS）スペクトルをマップし、マジョラナに類似したクロスイングを同定した。
• 直列抵抗を補正するための電圧分圧器補正を適用し、正確なトンネルスペクトルを抽出した。
• 結合したYSR状態の数値モデリングを実施し、実験的コンダクタンス行列を再現し、トンネルパラメータを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導体に接続された量子ドットにおけるYu-Shiba-Rusinov状態は、従来のQDベースのKitaev鎖に比べ、より頑健な「アンダーワーカーのマジョラナ」ゼロモードを実現できるか？
• RQ2 このようなYSRベースの2サイトKitaev鎖における基底状態と第一励起状態との間の実現可能なエネルギーギャップはどの程度か？
• RQ3 超伝導体への強い結合が、電荷分散および電荷フラクチュエーションへの感受性をどの程度低減できるか？
• RQ4 QDプラッジャー・ゲートのレバーアームは、従来のQDシステムと比較してどのように異なるか？また、これにより電荷ノイズ耐性にどのような意味が生じるか？
• RQ5 観測されたマジョラナに類似したゼロバイアスコンダクタンスピークは、結合したYSR状態の理論的モデリングによって一貫して再現可能か？

主な発見

• 『アンダーワーカーのマジョラナ』状態の基底状態と第一励起状態との間のエネルギーギャップは76 μeVに達し、前例の報告より3倍に増大した。
• 非プロキシミタイズドなQDベースのKitaev鎖と比較して、電荷分散が2桁低減され、電荷ノイズに対する耐性が著しく向上した。
• 左側QDのプラッジャー・ゲートのレバーアームはα ≈ 0.05e、右側QDはα ≈ 0.04eと測定され、強い電気的制御が可能であることが示された。
• 結合したYSR状態の数値モデリングにより、実験的コンダクタンス行列が再現され、スイートスポットにおけるマジョラナに類似したクロスイングの存在が確認された。
• 電圧分圧器補正により、直列抵抗が以前は真の非局所的信号を隠蔽していたことが判明した。補正後、中央のゼロバイアスピークは対称的となり、真正のマジョラナのシグネチャであることが確認された。
• 2次元のInAsSb/Alプラットフォームを用いた並行研究により、結果が裏付けられ、YSRベースの手法の広範な適用可能性が確認された。