[논문 리뷰] Mitigating the effects of charge noise and improving the coherence of a quantum dot hybrid qubit

Brandur Thorgrimsson, Dohun Kim외 9명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 15.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 양자점 하이브리드 큐비트에서 비편율을 제어하는 데 있어 전하 노이즈가 주요 원인임을 규명하며, 큐비트 매개변수를 조정하고 더 큰 디튜닝 조건에서 작동시켜 전하에 기인한 변동성을 억제함을 보여준다. 이러한 매개변수를 최적화함으로써 저자들은 라미의 감쇠 시간 $T_2^* = 127~\mathrm{ns}$ 와 $1~\mathrm{\mu s}$를 초과하는 라비 감쇠 시간을 달성하였으며, 이는 이전의 한계를 크게 초월하는 큐비트의 양자 얽힘 수명을 의미한다.

ABSTRACT

Identifying dominant sources of decoherence is an important step in understanding and improving quantum systems. Here we show that the free induction decay time ($T_{2}^{*}$) and the Rabi decay rate ($\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$) of the quantum dot hybrid qubit are limited by charge noise for a large range of detunings. We show that by tuning the parameters of the qubit, and by operating the qubit at larger detunings, the coherence times can be increased by more than an order of magnitude. We achieve a Ramsey decay time $T_{2}^{*}$ of $127~\mathrm{ns}$ and a Rabi decay time, $1/\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$, exceeding $1~\mathrm{\mu s}$. We show that the slowest $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ is limited by fluctuations in the Rabi frequency induced by charge noise and not by fluctuations in the qubit energy itself.

연구 동기 및 목표

• 양자점 하이브리드 큐비트에서의 주요 얽힘 원인을 규명하는 것.
• 전하 노이즈가 다양한 디튜닝 조건에서 $T_2^*$와 라비 감쇠율 $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 라비 주파수의 변동성 또는 큐비트 에너지의 변동성이 라비 감쇠에 더 큰 기여를 하는지 규명하는 것.
• 큐비트 작동 매개변수를 최적화하여 얽힘 수명을 향상시키는 전략을 개발하는 것.

제안 방법

• 큐비트의 디튜닝을 체계적으로 변화시켜 $T_2^*$와 $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 라미 간섭을 통해 자유 유도 감쇠를 평가하기 위해 라미 간섭을 측정하는 것.
• 라비 진동 감쇠를 통해 감쇠 기여 요소를 분리하기 위해 $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$를 측정하는 것.
• 라비 주파수의 변동성과 $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ 간의 상관관계를 분석하여 노이즈 원인을 구분하는 것.
• 게이트 전압을 조정하여 큐비트 매개변수를 조절하고 전하 노이즈 민감도를 최소화하는 것.
• 다른 디튜닝 조건에서의 얽힘 수명을 비교하여 최적의 작동 영역을 규명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자점 하이브리드 큐비트에서 $T_2^*$와 $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$를 제한하는 주요 얽힘 원인은 무엇인가요?
• RQ2 큐비트 디튜닝을 증가시키면 얽힘 수명과 라비 감쇠율에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ3 라비 주파수의 변동성 또는 큐비트 에너지의 변동성이 $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$에 더 큰 기여를 하는가요?
• RQ4 더 큰 디튜닝 조건에서 큐비트 매개변수를 최적화하면 얽힘 수명을 상당히 향상시킬 수 있는가요?

주요 결과

• 전하 노이즈는 광범위한 디튜닝 범위에서 $T_2^*$와 $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$를 제한하는 주요 원인로 규명되었다.
• 디튜닝을 증가시킴으로써 전하 노이즈의 영향을 감소시켜 얽힘 수명이 10배 이상 향상됨을 확인하였다.
• 라미 감쇠 시간 $T_2^*$가 $127~\mathrm{ns}$로 확보되었으며, 이는 이전 결과에 비해 상당한 향상이다.
• 라비 감쇠 시간이 $1~\mathrm{\mu s}$를 초과하여, 라비 주파수 변동성에 의한 얽힘 감소가 확인되었다.
• 가장 느린 $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$는 큐비트 에너지 변동성보다 전하 노이즈에 기인한 라비 드라이브 변동성에 의해 제한된다.
• 더 큰 디튜닝 조건에서의 최적 작동은 전하 노이즈 영향을 상당히 억제하여 더 긴 얽힘 수명을 가능하게 한다.