[논문 리뷰] Dynamical suppression of fluctuations in an interacting nuclear spin bath of a self-assembled quantum dot using multiple pulse nuclear magnetic resonance

A. M. Waeber, M. Hopkinson외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 20.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 58인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 다중 펄스 핵자기공명을 통해 자가 조립된 반도체 양자점의 상호작용하는 핵스핀 배스의 변동을 동적으로 억제하기 위해 병합된 하운 및 솔리드 에코(CHASE) 펄스 시퀀스를 도입한다. 동적 디커플링과 솔리드 에코 기법을 결합함으로써 CHASE 시퀀스는 비균일한 넓이 증가와 디폴라 상호작용의 영향을 감소시키며, 실험적으로 표준 하운 에코에 비해 핵스핀 공명 시간(T₂)을 다섯 배로 증가시킨다.

ABSTRACT

Electron spin qubit coherence in quantum dots is ultimately limited by random nuclear spin bath fluctuations. Here we aim to eliminate this randomness by making spin bath evolution deterministic. We introduce spin bath control sequences, which systematically combine Hahn and solid echoes to suppress inhomogeneous broadening and nuclear-nuclear interactions. Experiments on self-assembled quantum dots show a five-fold increase in nuclear spin coherence. Numerical simulations show that these sequences can be used to suppress decoherence via qubit-qubit interaction in point defect and dopant spin systems.

연구 동기 및 목표

• 자기적 상호작용으로 인해 변동하는 핵스핀 배스로 인해 발생하는 전자스핀 큐비트의 공명 시간에 대한 기본적 한계를 해결하기 위해.
• 무작위 핵스핀 변동을 결정론적이고 제어 가능한 동역학으로 전환하는 방법을 개발하기 위해.
• 다체 스핀 시스템에서 비균일한 넓이 증가와 핵-핵 디폴라 상호작용을 동시에 억제하기 위해.
• 펄스 시퀀스가 실제 양자점 시스템에서 핵스핀 공명 시간을 향상시킬 수 있음을 실험적·수치적 방법으로 입증하기 위해.
• 더 안정적이고 제어 가능한 스핀 배스를 설계함으로써 큐비트를 환경으로부터 더 잘 분리할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 비균일한 넓이 증가 억제를 위한 하운 에코와 디폴라 상호작용 억제를 위한 솔리드 에코를 결합한 CHASE 펄스 시퀀스를 설계하기 위해.
• 펄스 사이클 하에서 효과적 해밀토니안을 엄밀히 분석하기 위해 평균 해밀토니안 이론(AHT)과 맥스웰 전개를 적용하기 위해.
• 핵스핀 배스를 기술하기 위해 제임스 항(ΔνiIz,i)과 디폴라 상호작용 항(νij(3Iz,iIz,j − Ii·Ij))을 포함한 해밀토니안 모델을 사용하기 위해.
• 정적 및 동적 스핀 상호작용을 재초점화하기 위해 특정 단계(x, y, -x, -y)에서 번갈아가며 π/2 및 π 펄스를 적용하기 위해.
• 유한한 펄스 지속 시간과 실험적 불완전성에 대비한 강건성을 확보하기 위해 시퀀스 사이클(예: CHASE-10, CHASE-20, CHASE-34)을 최적화하기 위해.
• 광학적으로 검출된 핵자기공명(ODNMR) 실험과 첫 원리 양자 시뮬레이션을 통해 결과를 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다체 핵스핀 배스에서 비균일한 넓이 증가와 디폴라 상호작용을 동시에 억제할 수 있는 펄스 시퀀스를 설계할 수 있는가?
• RQ2 강한 큐드롭필드를 갖는 자가 조립 양자점에서 CHASE 시퀀스가 핵스핀 공명 시간을 얼마나 효과적으로 연장하는가?
• RQ3 유한한 지속 시간을 갖는 펄스가 이러한 시퀀스의 성능을 얼마나 떨어뜨리며, 어떻게 강건성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 CHASE 시퀀스는 비균일한 넓이 증가가 약한 다른 스핀 시스템(예: 점 결함 또는 도핑원자)으로 일반화될 수 있는가?
• RQ5 실제 적용에서 공명 시간 향상과 제어 오버헤드 사이의 최적 균형은 무엇인가?

주요 결과

• 실험 결과, 자가 조립된 InGaAs 양자점 내 75As 핵에서 CHASE 시퀀스를 사용함으로써 표준 하운 에코에 비해 핵스핀 공명 시간(T₂)이 다섯 배로 증가하였다.
• CHASE-34 시퀀스는 검토된 시퀀스 중 가장 긴 공명 시간을 기록하였으며, 비균일한 넓이 증가가 있는 시스템에서 CHASE-10 및 CHASE-20를 능가하였다.
• 100π-펄스 지속 시간을 초과하는 게이트 시간 동안 획득한 전단자기화(⟨Iz⟩)가 0.7 이상을 유지함으로써 장시간 제어 시퀀스 하에서도 강건함을 입증하였다.
• 시뮬레이션 결과, 약한 비균일한 넓이 증가가 있는 시스템(예: 스트레인 없는 양자점 또는 결함 중심)에서 CHASE 시퀀스의 순환 적용이 위상 분산를 거의 완전히 억제할 수 있음을 확인하였다.
• CHASE 시퀀스의 성능은 유한한 펄스 지속 시간에 대해 강건하며, 실제 RF 펄스가 약간의 진폭 또는 위상 오차를 유도하더라도 여전히 공명을 유지하였다.
• 복합 펄스(BB1 등)는 테스트되었지만 공명 시간이 감소하고 효율성이 떨어져, 이 응용 분야에서는 표준 CHASE 시퀀스가 더 효과적임을 시사하였다.