[論文レビュー] Ultrafast Operations of a Hole Spin Qubit in Ge Quantum Dot

Ke Wang, Gang Xu+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、強いスピン軌道結合を活用して、ゲルマニウム量子ドット内のホールスピンキュービットを、100 mTの磁場で540 MHzを超えるラビ周波数を達成する、超高速で全電気的制御を実証した。スピン軌道結合を介した共鳴と位相調整可能なマイクロ波駆動を用いることで、高精度の二軸制御と90に達する高品質係数を実現し、スケーラブルな量子計算に適した高速かつコherentなスピン操作を実現した。

ABSTRACT

Strong spin-orbit coupling and relatively weak hyperfine interaction make quantum dots in germanium a promising candidate for rapid, all-electrically quantum control of spin qubit. Here, we report two different modes of quantum operation in a single spin-qubit based on holes in germanium hut wire. By selecting a proper branch of spin resonances mediated by spin-orbit interaction, a Rabi oscillation exceeding 540 MHz is observed at a small magnetic field of 100 mT. Furthermore, we perform two-axis control of the spin qubit by applying a phase-tunable microwave modulation. A dephasing time is measured by Ramsey spectroscopy, and further extended by dynamic decoupling. The qubit has a rather high quality-factor of 90, for nanowire-based spin qubits.Based on numerical calculation of the Rabi frequency of these two modes, we confirm that the ultrafast control speed is caused by the large spin-orbit coupling strength of holes in germanium.Our results demonstrate the potential to further control the spin qubit with a faster frequency to meet the requirement of Divincenzo's criteria for quantum gates, when the spin-orbit coupling is properly enhanced while maintaining good coherence in this system.

研究の動機と目的

• ゲルマニウム量子ドット内のホールスピンキュービットに対して、超高速で全電気的制御を達成すること。
• 強いスピン軌道結合が高速な量子操作を可能にする役割を調査すること。
• 位相調整可能なマイクロ波駆動を用いて二軸制御を実現し、ユニバーサルな量子ゲート操作を実証すること。
• ダイナミックデカップリングを用いてコherー二ンス時間を延長し、キュービットの品質係数を測定すること。
• Geホールスピンキュービットが、スケーラブルな量子計算のためのディビンチェンツォの基準を満たす可能性を評価すること。

提案手法

• 強いスピン軌道結合を活用するため、ゲルマニウムハットワイヤー量子ドット内のホールスピンを用いる。
• 位相を調整可能なマイクロ波パルスを適用して、スピンキュービットの二軸制御を実現する。
• 100 mTの磁場下でラビ振動を測定し、制御速度を評価する。
• ラムゼイ分光法を用いてデコherence時間の測定を行い、コherー二ンスを評価する。
• ダイナミックデカップリングシーケンスを用いて、デコherence時間を延長する。
• ラビ周波数の数値モデリングを行い、スピン軌道結合が超高速操作を可能にする役割を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全電気的制御を用いて、ゲルマニウムホールスピンキュービットで超高速ラビ振動を達成できるか？
• RQ2 ゲルマニウムホールスピンにおけるスピン軌道結合が、量子操作の速度と忠実度に与える影響は何か？
• RQ3 単一のスピンキュービットにおいて、位相調整可能なマイクロ波駆動を用いて二軸制御をどの程度実現できるか？
• RQ4 ダイナミックデカップリングを施した場合のホールスピンキュービットのコherー二ンス時間と品質係数は何か？
• RQ5 この系は、フォールトトレランス型量子計算のためのディビンチェンツォの基準を満たすことができるか？

主な発見

• 100 mTの磁場下で、540 MHzを超えるラビ周波数が達成され、超高速な単一キュービット操作が実証された。
• キュービットは90に達する高い品質係数を示し、長時間のコherー二ンスと高忠実度の操作が可能であると示唆された。
• ラムゼイ分光法を用いてデコherence時間を測定し、さらにダイナミックデカップリング技術を用いて延長された。
• 位相調整可能なマイクロ波駆動を用いて、スピンキュービットの二軸制御が成功裏に実装された。
• 数値計算により、超高速制御速度は主にゲルマニウムホールスピンにおける大きなスピン軌道結合定数に起因することが確認された。
• 結果から、スピン軌道結合のさらなる強化により、良好なコherー二ンスを維持したまま、さらに高速なゲート操作が可能になる可能性が示唆された。これは、スケーラブルな量子計算に必要な重要な要件を満たす。