[論文レビュー] Tunable hole spin-photon interaction based on g-matrix modulation

V. P. Michal, J. C. Abadillo-Uriel+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、強いスピン軌道結合を介した電気的制御によるg行列の変調を活用して、半導体量子ドットと超伝導マイクロ波共振器を結合させた系において、チューナブルなホールスピン-光子相互作用を提案する。ゲート電圧と磁場の向きを調整することで、完全に横方向および完全に縦方向の結合に切り替え可能であり、最大の結合強度が逆数的に現れる。これにより、頑健なスピン-光子もつれ状態と、高コherenのパラメトリック結合が実現され、実際のデバイスで最大約10 MHzの結合率を達成する。

ABSTRACT

We consider a spin circuit-QED device where a superconducting microwave resonator is capacitively coupled to a single hole confined in a semiconductor quantum dot. Thanks to the strong spin-orbit coupling intrinsic to valence-band states, the gyromagnetic g-matrix of the hole can be modulated electrically. This modulation couples the photons in the resonator to the hole spin. We show that the applied gate voltages and the magnetic-field orientation enable a versatile control of the spin-photon interaction, whose character can be switched from fully transverse to fully longitudinal. The longitudinal coupling is actually maximal when the transverse one vanishes and vice-versa. This "reciprocal sweetness" results from geometrical properties of the g-matrix and protects the spin against dephasing or relaxation. We estimate coupling rates reaching ~ 10 MHz in realistic settings and discuss potential circuit-QED applications harnessing either the transverse or the longitudinal spin-photon interaction. Furthermore, we demonstrate that the g-matrix curvature can be used to achieve parametric longitudinal coupling with enhanced coherence.

研究の動機と目的

• 外部駆動やマイクロマグネットを用いずに、すべて電気的でゲート電圧でチューニング可能なホールスピンキュービット系におけるスピン-光子相互作用を実現すること。
• ホール量子ドットにおける非スカラーg行列の幾何的性質を活用して、切り替え可能な横方向および縦方向の結合を達成すること。
• g行列の曲率変調によって、高コherenのパラメトリック縦方向結合を実現できることを示すこと。
• 現実的な結合強度を推定し、量子状態転送やCZゲートなどの回路QED応用の可能性を同定すること。

提案手法

• 前方ゲートとバックゲートを備えた[110]方向に配向したSiナノワイヤー量子ドットにおけるホールスピンキュービットをモデル化する。
• 有限差分離散化を用いた6バンドk⋅pモデルを用いて、ゲート電圧および磁場の向きの変化に伴うホール波動関数とg行列を計算する。
• g行列の微分を計算し、横方向および縦方向のスピン-光子結合感受度β⊥およびβ∥を決定する。
• パラメトリック縦方向結合強度を評価するため、曲率パラメータγ∥を計算する。
• 有限体積法を用いてポアソン方程式を解き、静電ポテンシャルおよびゲート誘起電場をモデル化する。
• 磁場の向きとバックゲート電圧の関数として結合強度をマッピングし、最適な動作点を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲート電圧と磁場の向きのみを用いて、ホールスピンキュービットにおけるスピン-光子相互作用を完全に横方向から完全に縦方向の結合に切り替えられるか？
• RQ2 非スカラーg行列の幾何的性質が、横方向および縦方向の結合の間で逆数的にチューニング可能であることを可能にするメカニズムは何か？
• RQ3 現実的なデバイスにおいて、ホールスピンとマイクロ波光子の間で達成可能な最大の結合率は何か？
• RQ4 g行列の曲率変調によって、高コherenのパラメトリック縦方向結合を実現できるか？
• RQ5 デバイスの幾何形状とゲートオーバーラップが、スピン-光子結合の強度とチューナビリティにどのように影響するか？

主な発見

• ゲート電圧と磁場の向きを調整することで、スピン-光子結合を完全に横方向から完全に縦方向に切り替え可能であり、最大の結合が逆数的に現れる。
• バックゲート電圧V_BG ≈ -68 mVで、ホール波動関数がチャネル全幅をカバーするようになり、対称性の反転によりβ∥およびβ⊥の感受度がゼロに近づく。
• 最大の縦方向結合（γ∥^max）と横方向感受度（β⊥^max）はV_BG ≈ -77 mVで達成され、現実的なシミュレーションで結合率が約10 MHzに達する。
• 曲率パラメータγ∥^maxはゲート-チャネルオーバーラップを減らすことで向上し、S_y = 10 nmの場合は20 nmのときと比べてγ∥が2倍に向上する。
• 酸化膜内の電圧降下によりβ感受度は最大40%低下するが、非線形性が相殺作用を示し、強いγ∥結合を維持する。
• 本系は長寿命のコherenを持つパラメトリック縦方向結合をサポートしており、高速な量子非破壊測定やマルチキュービットエンタングルゲートへの応用が可能である。