[論文レビュー] Spin-Valley Protected Kramers Pair in Bilayer Graphene

Artem O. Denisov, Veronika Reckova+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2024

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、垂直磁場下におけるスピン・バルク鎖定の下で保護された二層グラフェン量子ドットに埋め込まれたクラメールス量子ビットを示しており、同時にスピン・バルク反転が抑制されることで、30秒を超える超長寿命の緩和時間（通常のスピン緩和時間と比較して2桁長い）を達成している。

ABSTRACT

The intrinsic valley degree of freedom makes bilayer graphene (BLG) a unique platform for semiconductor qubits. The single-carrier quantum dot (QD) ground state exhibits a two-fold degeneracy, where the two states that constitute a Kramers pair, have opposite spin and valley quantum numbers. Because of the valley-dependent Berry curvature, an out-of-plane magnetic field breaks the time-reversal symmetry of this ground state and a qubit can be encoded in the spin-valley subspace. The Kramers states are protected against known spin- and valley-mixing mechanisms because mixing requires a simultaneous change of both quantum numbers. Here, we fabricate a tunable QD device in Bernal BLG and measure a spin-valley relaxation time for the Kramers states of ${38~\mathrm{s}}$, which is two orders of magnitude longer than the ${0.4~\mathrm{s}}$ measured for purely spin-blocked states. We also show that the intrinsic Kane-Mele spin-orbit splitting enables a Kramers doublet single-shot readout even at zero magnetic field with a fidelity above ${99\%}$. If these long-lived Kramers states also possess long coherence times and can be effectively manipulated, electrostatically defined QDs in BLG may serve as long-lived semiconductor qubits, extending beyond the spin qubit paradigm.

研究の動機と目的

• 二層グラフェンにおけるスピン・バルク自由度を活用した、頑健な半導体量子ビットプラットフォームの実現を目的とする。
• 2次元スピン・バルク部分空間に符号化されたクラメールス量子ビットが、一般的なデコherence要因に対して保護されることを実証することを目的とする。
• 微小およびゼロの磁場下における単一ホール二層グラフェン量子ドットにおける超長緩和時間の測定と検証を目的とする。
• 量子情報処理に不可欠な高精度な1ショット電荷読み出しの達成を目的とする。
• 高品質2次元ヘテロ構造におけるバルク自由度の coherent な操作の可能性を検討することを目的とする。

提案手法

• 六方窒化ホウ素によるカプセル化とスプリットゲート電気的制御を用いて、高品質な二層グラフェン量子ドットデバイスを製作した。
• 「ロード」「ウェイト」「リード」の3段階パルスプロトコルを採用し、ホール状態を1ショット感度で初期化および測定した。
• 「リード」段階中に特徴的な「ブリップ」を介して、基底状態または励起状態にホールが存在するかを電荷センサ電流で検出した。
• 「リード」段階における「ブリップ」密度の指数関数的減衰を分析することで緩和時間を測定し、トンネル放出レートは減衰エンVELOPEから抽出した。
• エネルギー分裂を調整し、緩和チャネルを調査するために、可変な面内および垂直磁場を適用した。
• デバイスポテンシャルをモデル化し、観測された緩和ダイナミクスを検証するための数値シミュレーションを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二層グラフェンにおけるクラメールス量子ビットは、スピン・バルク鎖定のおかげで、従来のスピン量子ビットと比較して著しく長い緩和時間を示すのか？
• RQ2 垂直磁場による時間反転対称性の破壊が、クラメールスデュアレットの安定化に果たす役割は何か？
• RQ3 同じ系において、クラメールス量子ビットの緩和時間は単一スピン量子ビットのそれと比べてどのように異なるのか？
• RQ4 最小限の電荷ノイズのもとで、二層グラフェン量子ドットにおいて高精度な1ショット読み出しが達成可能か？
• RQ5 主な緩和メカニズムは何か？ なぜ、バルク間クロスオーバー点付近に緩和ホットスポットが存在しないのか？

主な発見

• 二層グラフェンにおけるクラメールス量子ビットは、微小（40 mT）およびゼロの垂直磁場下で30秒を超える緩和時間を示した。
• この緩和時間は、同じ系におけるスピンのみの緩和時間（400 ms）と比較して約2桁長い。
• 信号対ノイズ比約4.9を達成し、99.9％を超える読み出し保証度を実現した高精度な1ショット読み出しを達成した。
• バルク間クロスオーバー点付近に緩和ホットスポットが存在しないことは、バルク間混合率が2 neV未満（約0.5 MHz）であることを示しており、強固なバルク自由度と整合的である。
• 「ブリップ」の原因として熱的励起や電荷ノイズは除外され、観測された単一「ブリップ」統計はランダムフラクチュエーションではなく、トンネルダイナミクスに一致していた。
• 観測された超長緩和時間は、先行するベンチマークで定義された誤り耐性量子情報処理の最低限の閾値を満たしている。