[논문 리뷰] Coherent spin-qubit photon coupling

Andreas Landig, Jonne Koski외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 06.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 66

한 줄 요약

이 논문은 NbTiN 고임피던스 공진기에 단일 마이크로파 광자와 GaAs 삼중 양자점의 세 전자 스핀 큐비트 사이의 강한 결합을 시연하고, vacuum Rabi 모드분할을 관찰했으며 g/2π ≈ 31.4 MHz 및 γ2/2π ≈ 19.6 MHz를 보고한다.

ABSTRACT

Electron spins hold great promise for quantum computation due to their long coherence times. An approach to realize interactions between distant spin-qubits is to use photons as carriers of quantum information. We demonstrate strong coupling between single microwave photons in a NbTiN high impedance cavity and a three-electron spin-qubit in a GaAs triple quantum dot. We resolve the vacuum Rabi mode splitting with a coupling strength of $g/2π\simeq31$ MHz and a qubit decoherence of $γ_2/2π\simeq 20$ MHz. We can tune the decoherence electrostatically and obtain a minimal $γ_2/2π\simeq 10$ MHz for $g/2π\simeq 23$ MHz. The dependence of the qubit-photon coupling strength on the tunable electric dipole moment of the qubit is measured directly using the ac Stark effect. Our demonstration of strong spin-photon interaction is an important step towards coherent long-distance coupling of spin-qubits.

연구 동기 및 목표

• 전자 스핀 큐비트의 긴 코히런스 시간을 가진 큐비트를 광자로 연결하여 장거리 양자 정보 전달을 촉진한다.
• 회로 QED 구조에서 스핀 큐비트와 단일 마이크로파 광자 사이의 강한 코히런트 결합 실현.
• 정전기적 조정이 큐비트-광자 결합 및 큐비트 디코히어런스에 어떻게 영향을 미치는지 특성화.
• 관측된 결합이 강한 결합 임계치를 만족함을 보이고 최적 상호작용을 위한 큐비트 에너지 지형을 매핑한다.

제안 방법

• 큰 Z_r ~ 1.3 kΩ인 NbTiN 고임피던스 공진기를 사용하여 스핀-광자 결합을 강화한다.
• Δ( detuning )와 ε(비대칭)를 조정할 수 있는 GaAs 삼중 양자점에서 세 전자 스핀-큐비트를 구현하여 큐비트 상태를 형성한다.
• 왼쪽 양자점 플런저 게이트를 공진기에 결합시켜 전기-다이폴 결합을 실현한다.
• 스핀 큐비트를 공진기에 공진시키고 진공 Rabi 모드 분할을 관찰하며 입력-출력 이론으로 적합시켜 g 및 γ2를 추출한다.
• 비탄성 영역에서의 ac Stark 시프트 측정 및 공진기 주파수 변화로 g를 보정한다.
• 큐비트 에너지가 ε 및 Δ 변동에 덜 민감한 이중 스위트 포인트(DSS)를 탐색하고 에너지 등고선을 매핑한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GaAs 삼중 양자점의 스핀 큐비트가 회로 QED 설정에서 단일 마이크로파 광자와 강한 코히런트 결합을 달성할 수 있는가?
• RQ2 detuning Δ 및 전하 혼합(ε, Δ)이 큐비트-광자 결합 강도 g와 큐비트 디코히어런스 γ2에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 ac Stark 시프트 측정이 이 시스템에서 g에 대한 직접적이고 보정 없이 다룰 수 있는 방법을 제공하는가?
• RQ4 관측된 스핀-큐비트–광자 시스템이 더블 스위트 포인트를 포함한 다양한 작동 지점에서 강한 결합 기준을 만족하는가?
• RQ5 이러한 결과가 양자 정보 처리에서 확장 가능하고 장거리 스핀-큐비트 상호연결에 어떤 시사점을 갖는가?

주요 결과

• 스핀-큐비트가 공진기와 공진할 때 진공 Rabi 모드 분할이 관측되며, g/2π = (31.4 ± 0.3) MHz 및 γ2/2π = (19.6 ± 0.5) MHz를 얻었다.
• κ/2가 낮은 광자 점유(<1)에서 2g > κ/2 + γ2인 강한 결합 영역이 증명된다. κ/2π = 47.1 MHz.
• 디코히어런스 γ2는 전하 전개의 조정으로 전기적으로 조정될 수 있으며, g/2π ≈ 23 MHz에서 최소 γ2/2π ≈ 10 MHz를 보이며 더 spin과 같은 상태(1,1,1)에서 코히런스가 향상됨을 시사한다.
• Δ에 따라 더 큰 혼합으로 인해 결합 강도 g가 증가하는 것이 ac Stark 시프트 보정으로 나타난다.
• ac Stark 시 shift는 g에 직접 접근을 가능하게 하며 라비 분할 측정 시 평균 광자 수 ≈ 0.3인 단일 광자 영역을 확인한다.
• 자성자나 강한 스핀-궤도 결합에 의존하지 않는 재료에서 확장 가능한 스핀-광자 결합 플랫폼을 시연하며 저-하이페인 호스트로의 전이 가능성을 시사한다.