[논문 리뷰] Direct manipulation of a superconducting spin qubit strongly coupled to a transmon qubit

Marta Pita‐Vidal, Arno Bargerbos외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 22.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 양자점 주อ슨 접합에서 전기 dipole 스핀 공명을 통해 초전도 스피너 큐비트(안드레에프 스피너 큐비트)를 직접적이고 빠르며 일관성 있는 방식으로 제어함으로써 200 MHz 이상의 라비 주파수를 달성한다. 이 큐비트는 전이모드 큐비트와 강하게 직접 결합되어 중간 공진기 없이 양자 정보의 일관성 있는 교환을 가능하게 하며, 스핀과 초전도 큐비트를 조합한 하이브리드 양자 아키텍처로 나아가는 데 있어 핵심적인 단계를 마련한다.

ABSTRACT

Spin qubits in semiconductors are currently one of the most promising architectures for quantum computing. However, they face challenges in realizing multi-qubit interactions over extended distances. Superconducting spin qubits provide a promising alternative by encoding a qubit in the spin degree of freedom of an Andreev level. Such an Andreev spin qubit could leverage the advantages of circuit quantum electrodynamic, enabled by an intrinsic spin-supercurrent coupling. The first realization of an Andreev spin qubit encoded the qubit in the excited states of a semiconducting weak-link, leading to frequent decay out of the computational subspace. Additionally, rapid qubit manipulation was hindered by the need for indirect Raman transitions. Here, we exploit a different qubit subspace, using the spin-split doublet ground state of an electrostatically-defined quantum dot Josephson junction with large charging energy. Additionally, we use a magnetic field to enable direct spin manipulation over a frequency range of 10 GHz. Using an all-electric microwave drive we achieve Rabi frequencies exceeding 200 MHz. We furthermore embed the Andreev spin qubit in a superconducting transmon qubit, demonstrating strong coherent qubit-qubit coupling. These results are a crucial step towards a hybrid architecture that combines the beneficial aspects of both superconducting and semiconductor qubits.

연구 동기 및 목표

• 이전의 구현 방식에서 간접 라만 전이에 의존하는 한계를 극복하기 위해 초전도 스피너 큐비트를 직접 전기적으로 제어할 수 있는 방법을 개발한다.
• 양자점의 충전 에너지를 이용해 큐비트의 계산 하위공간을 안정화시켜 고에너지 안드레에프 준위로부터의 泄漏를 감소시킨다.
• 스핀 큐비트와 전이모드 큐비트 사이에 강한 직접 결합을 실현하여 확장 가능한 양자 정보 처리를 가능하게 한다.
• 자기장 조절을 통해 큐비트 전이 주파수를 10 GHz 이상 조절 가능하게 하여 제어 및 독출 정밀도를 향상시킨다.
• 반도체 스피너 큐비트의 확장성과 초전도 전이모드 큐비트의 일관성 및 회로-QED 호환성을 결합한 하이브리드 플랫폼을 구축한다.

제안 방법

• 큰 충전 에너지를 지닌 양자점 내에서 전기적으로 정의된 양자점에 안드레에프 스피너 큐비트를 실현하여 이중성 기저 상태를 안정화시킨다.
• 모든 전기적 마이크로파 드라이브를 사용한 전기 dipole 스핀 공명(EDSR)을 통해 직접 스핀 제어를 구현하며, 200 MHz를 초과하는 라비 주파수를 달성한다.
• 자기장에 의한 조지안 분리 조절을 통해 큐비트 전이 주파수를 10 GHz 이상의 범위로 제어 가능하게 하여 자극 상태의 밀도를 감소시킨다.
• 중간 공진기를 요구하지 않고, 내재된 스핀-초전류 결합을 통해 스피너 큐비트를 초전도 전이모드 큐비트와 일관성 있게 결합한다.
• 이론적 모델링은 결합 강도가 $ J \propto E_{\rm SO} \phi_{\rm zpf} \sin(\theta) $ 비례함을 예측하며, 이는 수백 MHz 수준의 잠재적 결합 속도를 가능하게 한다.
• 양자 회로 해밀토니안 시뮬레이션을 통해 실험적 파라미터를 추출하고 관측된 강한 결합 영역을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보조 상태로의 가상 전이에 의존하지 않고도 초전도 스피너 큐비트를 직접 전기적으로 제어할 수 있는가?
• RQ2 양자점의 충전 에너지를 이용해 안드레에프 스피너 큐비트의 계산 하위공간을 안정화시켜 泄漏를 억제할 수 있는가?
• RQ3 내재된 스핀-초전류 결합을 통해 초전도 스피너 큐비트와 전이모드 큐비트 사이에 강한 직접 결합이 가능한가?
• RQ4 자기장 조절을 통해 큐비트 전이 주파수를 어느 정도까지 조절할 수 있으며, 이는 큐비트 제어 및 독출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 스핀 큐비트와 전이모드 큐비트의 하이브리드 시스템은 확장 가능한 이중 큐비트 연산과 향후 더 큰 양자 회로에의 통합을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 안드레에프 스피너 큐비트는 직접 전기 dipole 스핀 공명을 통해 200 MHz를 초과하는 라비 주파수를 달성하여 빠른 단일 큐비트 연산을 가능하게 한다.
• 자기장 제어를 통해 큐비트 전이 주파수를 10 GHz 이상 조절 가능하여 자극 상태의 동적 밀도 감소가 가능하다.
• 큐비트의 일관성 시간은 인아스/인안비 나노와이어 스피너 큐비트 수준과 유사하여 핵자기의 영향으로 인한 상당한 디코herence가 발생함을 시사한다.
• 안드레에프 스피너 큐비트와 전이모드 큐비트 사이에 강한 일관성 있는 결합이 실험적으로 입증되었으며, 결합 강도가 전이모드 큐비트의 디코herence 속도(약 1.2 × 2π MHz)를 초월한다.
• 관측된 결합은 중간 공진기를 요구하지 않는 내재적이고 직접적인 것으로, 하이브리드 시스템에서 초전도체-스핀 강한 결합의 첫 번째 실현을 확립한다.
• 이론적 모델링은 스핀-오비트 결합과 자기장 방향 조절을 최적화함으로써 수백 MHz 수준의 결합 속도를 달성할 수 있음을 확인한다.