[논문 리뷰] Fully tunable hyperfine interactions of hole spin qubits in Si and Ge quantum dots

Bosco, Stefano, Loss, Daniel|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 25.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 61

한 줄 요약

이 논문은 실리콘과 게르마늄 양자점 내에서 구멍 스핀 큐비트의 초미세 상호작용이 장치 설계와 외부 전기장에 의해 완전히 조절 가능함을 보여주며, 초미세 노이즈를 한 계급 수준으로 억제할 수 있음을 입증한다. 기하학적으로 연장된 양자점에서 강한 스핀-오비트 결합을 이용함으로써, 초미세 노이즈와 전하 노이즈가 동시에 최소화되는 조절 가능한 '좋은 점들'(sweet spots)을 규명하였으며, 이는 동위원소 정제가 필요 없이도 큐비트의 코herence와 게이트 정밀도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Hole spin qubits are frontrunner platforms for scalable quantum computers, but state-of-the-art devices suffer from noise originating from the hyperfine interactions with nuclear defects. We show that these interactions have a highly tunable anisotropy that is controlled by device design and external electric fields. This tunability enables sweet spots where the hyperfine noise is suppressed by an order of magnitude and is comparable to isotopically purified materials. We identify surprisingly simple designs where the qubits are highly coherent and are largely unaffected by both charge and hyperfine noise. We find that the large spin-orbit interaction typical of elongated quantum dots not only speeds up qubit operations, but also dramatically renormalizes the hyperfine noise, altering qualitatively the dynamics of driven qubits and enhancing the fidelity of qubit gates. Our findings serve as guidelines to design high performance qubits for scaling up quantum computers.

연구 동기 및 목표

• 구멍 스핀 큐비트의 주요 코herence 손실 원인인 실리콘과 게르마늄 양자점 내 핵 결함과의 초미세 상호작용을 해결하기 위해.
• 이러한 초미세 상호작용이 외부 전기장과 장치 기하학을 통해 공학적 조절이 가능한지 탐구하기 위해.
• 초미세 노이즈와 전하 노이즈가 동시에 최소화되는 최적의 작동 조건을 규명하여 큐비트의 코herence를 향상시키기 위해.
• 직접 라슈바 스핀-오비트 결합(DRSOI)과 초미세 상호작용 간의 상호작용을 탐색하고, 큐비트 동역학과 게이트 정밀도에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• FinFET와 같은 실제 장치 구조에서 스케일러블하고 고성능의 구멍 스핀 큐비트를 설계하기 위한 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 장치의 긴 축에 수직인 외부 전기장 Ey를 포함한 구속 퍼텐셜을 가진 루팅거-코른 해밀토니안을 사용하여 구멍 양자점 시스템을 모델링한다.
• 스핀어워프 함수 ψH,L(ρ)와 스핀-오비트 길이 lSO를 전기장 Ey에 따라 수치적으로 슈뢰딩거 방정식을 풀어 구한다.
• 스핀 해상도 파동함수와 DRSOI에 의해 유도된 위상 회전을 이용하여 초미세 결합 행렬 Γ(r)과 g-요소 텐서 gij를 계산한다.
• 초미세 및 조잔 해밀토니안을 스핀 싱글렛 기저 상태에 투영하여 오버하우저 필드 h와 그 공분산 행렬 Σ를 유도한다.
• 핵 스핀에 대한 가우시안 노이즈 모델을 적용하여, 가우시안 및 힘의 법칙에 따른 감쇠 성분을 포함한 qubit 위상 분리 시간 T0와 전이 확률 P(t)를 계산한다.
• 시간에 따라 변하는 필드 하에서 스핀 동역학을 분석하기 위해, ℏω ≫ √Σii 라는 가정 하에 분석적 근사치를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘과 게르마늄 양자점 내에서 구멍 스핀 큐비트의 초미세 상호작용은 외부 전기장과 장치 기하학을 통해 완전히 조절 가능한가?
• RQ2 구멍 스핀 큐비트에서 초미세 노이즈와 전하 노이즈가 동시에 억제되는 조건은 무엇인가?
• RQ3 강한 직접 라슈바 스핀-오비트 상호작용(DRSOI)은 초미세 노이즈를 어떻게 재규합하고, 구동 실험에서 큐비트 동역학을 어떻게 변화시키는가?
• RQ4 DRSOI는 전기적으로 구동되는 단일 큐비트 게이트의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 초미세 상호작용의 조절 가능성은 동위원소 정제 없이도 고코herence 큐비트를 실현하는 데 기여하는가?

주요 결과

• 최적의 장치 설계에서 초미세 노이즈는 한 계급 수준으로 감소하며, 동위원소 농도를 높이지 않아도 동위원소 정제된 물질 수준의 코herence를 달성한다.
• 실리콘 FinFET에서는 초미세 노이즈와 전하 노이즈가 동시에 억제되는 작동 점이 존재하여 큐비트의 코herence가 크게 향상된다.
• DRSOI에 의해 유도된 스핀-오비트 길이 lSO는 초미세 노이즈를 강하게 재규합하며, 감쇠 동역학을 가우시안에서 가우시안과 힘의 법칙 성분의 조합으로 변화시킨다.
• 약 10^4개 원자로 구성된 자연 상태의 실리콘과 게르마늄 양자점에서 특성 위상 분리 시간 T0는 각각 약 0.36 µs(Si)와 0.11 µs(Ge)이며, 이는 조절을 통해 상당히 연장된다.
• DRSOI와 초미세 상호작용 간의 상호작용은 구동 큐비트 동역학에 정성적인 변화를 유도하며, 게이트 정밀도를 향상시키고 더 빠르고 더 코herent한 동작을 가능하게 한다.
• 분석적 프레임워크는 초미세 브로드닝이 라비 주파수와 비슷한 경우에도 장시간 스핀 감쇠를 정확히 기록하며, 현실적인 매개변수 영역에서 근사 모델의 사용을 정당화한다.