[論文レビュー] Simultaneous Operations in a Two-Dimensional Array of Singlet-Triplet Qubits

Federico Fedele, Anasua Chatterjee+4 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 42被引用数 41

ひとこと要約

本論文は、周波数多重化された読み出しと同期化されたゲートパルスを用いて、ガリウムヒ素のスイングルット・トリプレット量子ビットの2次元アレイにおいて、同時に整合性のある操作と1回の測定で得られる読み出しを実現した。交換振動の品質因子は3.4〜5.1であり、位相崩壊時間T*2は約20ナノ秒であった。中央に配置された多電子ドットを用いてスピン交換を制御可能にし、スケーラブルでゲート制御可能なスピン量子ビットアーキテクチャの実現に貢献した。

ABSTRACT

In many physical approaches to quantum computation, error-correction schemes assume the ability to form two-dimensional qubit arrays with nearest-neighbor couplings and parallel operations at multiple qubit sites. While semiconductor spin qubits exhibit long coherence times relative to their operation speed and single-qubit fidelities above error correction thresholds, multiqubit operations in two-dimensional arrays have been limited by fabrication, operation, and readout challenges. We present a two-by-two array of four singlet-triplet qubits in gallium arsenide and show simultaneous coherent operations and four-qubit measurements via exchange oscillations and frequency-multiplexed single-shot measurements. A larger multielectron quantum dot is fabricated in the center of the array as a tunable interqubit link, which we utilize to demonstrate coherent spin exchange with selected qubits. Our techniques are extensible to other materials, indicating a path towards quantum processors with gate-controlled spin qubits.

研究の動機と目的

• スイングルット・トリプレット量子ビットの2次元アレイにおいて、同時に整合性のある操作と読み出しを実現すること。
• スケーリングの課題、特にクロストーク、ゲートのファンアウト、多量子ビット測定の課題を克服すること。
• 中央に配置された調整可能な多電子量子ドットを、量子ビット間で整合性のあるスピン交換カップリングとして用いることを示すこと。
• 拡張可能なプロセス技術と制御手法を用いて、ゲート制御可能なスピン量子ビットのスケーラビリティを検証すること。

提案手法

• 4つのガリウムヒ素の二重量子ドット（DQD）からなる2x2アレイをフォーマーし、それぞれが局所的な電荷センサーを備えたスイングルット・トリプレット量子ビットを符号化している。
• 周波数多重化された反射率測定を用いて、4つの共振周波数が異なるインダクタを介して、同時に4つの量子ビットを測定している。
• 8つのゲートエレクトロードに同期化された電圧パルスを印加し、量子ビットの初期化と整合性のある交換回転（オーバーハウザー効果または交換振動）を誘発している。
• 蓄積ゲートを用いて中央の多電子ドット（MED）を形成し、特定の量子ビットとの間で整合性のあるスピン交換を媒介する調整可能なカップラーとして用いている。
• 時間領域データに対する指数関数的および減衰正弦波的フィットを用いて、位相崩壊時間T*2と交換振動の可視度を抽出している。
• リーク率分光法と外部磁場のスイープを用いて、MEDに非ゼロのスピンが存在することを確認し、交換カップリングの挙動を調査している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元GaAsアレイにおける4つのスイングルット・トリプレット量子ビットにおいて、同時に整合性のある操作が可能か？
• RQ2 周波数多重化された1回の測定による読み出しで、4つの量子ビットを同時に高精度で解明できるか？
• RQ3 中央の多電子ドットが、アレイ内の個々の量子ビットとの整合性のあるスピン交換を可能にするか？
• RQ4 位相崩壊時間と交換振動の品質因子が、デチューニングや磁場といった実験パラメータにどのように依存するか？
• RQ5 交換回転の速度と可視度の測定を用いて、クロストークとコherーイエンスの限界を定量化できるか？

主な発見

• 4つの量子ビットすべてで同時に交換振動が観測され、品質因子は3.4〜5.1の範囲であった。
• 非一様な位相崩壊時間（T*2）は、全量子ビットで約20ナノ秒であった。具体的には、Q1で20.3ナノ秒、Q2で22.1ナノ秒、Q3で23.0ナノ秒、Q4で22.3ナノ秒であった。
• 量子ビットと中央の多電子ドットとの間で、整合性のあるスピン交換が実証された。MEDの3つの連続する電荷状態で振動が観測された。
• リーク率分光法により、U字型の特徴が観測され、MEDに非ゼロのスピンが存在することが示された。これは、基底状態がS=1/2とS=1を交互に取りうることを示している。
• 交換カップリング強度は、平面内および平面外の磁場に対して弱い依存性を示し、現在の構成では軌道効果が最小限であることが示唆された。
• 交換回転の速度を用いたクロストークの検出により、わずかではあるが測定可能な影響が観測された。