[논문 리뷰] Noise suppression and long-range exchange coupling for gallium arsenide spin qubits

Filip K. Malinowski|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 12.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 118인용 수 3

한 줄 요약

이 학위논문은 게이트 정의된 양자점 구조를 활용하여 갈륨 arsenide(GaAs) 스핀 큐비트에서 소음 억제 및 장거리 교환 상호작용을 구현한다. 대칭적인 양자점 구조와 동적 분리 기법을 활용함으로써 저자들은 쌍극자-삼중자 큐비트의 동역학을 여섯 배 향상시키고, 전자 스핀의 얽힘 시간을 870 µs까지 연장하였다. 또한 다중전자 중간자 양자점의 가변성 덕분에 장거리 교환 상호작용을 실현하였다.

ABSTRACT

This thesis presents the results of the experimental study performed on spin qubits realized in gate-defined gallium arsenide quantum dots, with the focus on noise suppression and long-distance coupling.

연구 동기 및 목표

• 대칭적인 양자점 구조를 활용하여 GaAs 스핀 큐비트의 전하 소음에 대한 민감도를 감소시키는 것.
• 맞춤형 동적 분리 시퀀스를 사용하여 오버하우저 필드 소음을 측정하고 억제하는 것.
• 다중전자 양자점이 중간자 역할을 하여 먼 전자 간의 장거리 교환 상호작용을 구현하는 것.
• 다양한 전하 점유 상태에서 다중전자 양자점의 기초 상태 스핀을 규명하는 것.
• 다중전자 중간자에서 저소음 전압 영역을 활용하여 고정밀도, 장거리 이큐비트 게이트를 실현하는 것.

제안 방법

• 게이트 정의된 GaAs 양자점을 사용하여 터널 결합을 조절할 수 있고 대칭적인 구성이 가능한 구조를 설계하여 게이트 전압 기울기를 최소화하였다.
• XY8 동적 분리 시퀀스를 적용하여 메가헤르츠 수준의 주파수에서 좁은 대역의 오버하우저 소음을 노치 필터링하였다.
• 단일 스포트 스핀 판독 및 양자 과정 토모그래피를 활용하여 큐비트의 얽힘 시간과 교환 진동을 특성화하였다.
• 다중전자 양자점의 아홉 가지 전하 점유 상태에서 체계적인 측정을 수행하여 기초 상태 스핀 구성도를 매핑하였다.
• 전하 전이 근처의 게이트 전압 스윕을 설계하여 짝수 점유 상태의 스핀-1/2 큐비트에서 교환 상호작용의 부호와 강도를 조절하였다.
• 스핀-0 다중전자 중간자 양자점을 통해 먼 단일 스핀 큐비트 간의 공명 교환 상호작용을 실현하였으며, 이 상호작용 강도는 최대 몇 GHz까지 가변 조절 가능하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대칭적인 양자점 구조는 쌍극자-삼중자 큐비트 및 공명 교환 큐비트에서 전하 소음을 어떻게 감소시키는가?
• RQ2 GaAs에서 오버하우저 필드 소음의 스펙트럼적 구조는 무엇이며, 이를 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ3 다중전자 양자점은 먼 전자 간의 장거리 교환 상호작용을 중개할 수 있는가?
• RQ4 단일 스핀과 다중전자 양자점 간의 교환 상호작용은 게이트 전압과 전하 점유 상태에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 다중전자 양자점에서 전하 소음에 대한 민감도가 감소하는 전압 영역가 존재하는가? 이러한 영역은 고정밀도 이큐비트 게이트를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 대칭적인 양자점 운영을 통해 双전자 쌍극자-삼중자 교환 진동의 품질 인자(Q)가 여섯 배 향상되었다.
• GaAs에서 전자 스핀 얽힘 시간이 870 µs로 연장되어 지금까지 기록된 바 중 가장 높은 하한 기준이 되었다.
• 1 mHz ~ 1 kHz 범위의 오버하우저 필드 소음은 고전적 스핀 확산과 일치하며, MHz 수준의 소음은 세 개의 핵 이소토프의 라모어 프리세션으로 인해 세 개의 좁은 밴드로 집중되어 있다.
• 짝수 점유 상태의 스핀-1/2 다중전자 양자점에서 전하 전이 근처의 몇 mV 수준의 게이트 전압 스윕이 이웃 전자와의 교환 상호작용의 부호를 변화시킬 수 있었다.
• 스핀-0 다중전자 중간자 양자점을 통해 먼 전자 간의 장거리 교환 상호작용을 실현하였으며, 상호작용 강도는 최대 몇 GHz까지 가변 조절 가능하였다.
• 특정 전압 영역에서 낮은 에너지 간격과 many-body 효과로 인해 전하 소음에 대한 민감도가 감소하였으며, 이는 고정밀도 이큐비트 작동을 가능하게 하였다.