[논문 리뷰] Qubit based on spin-singlet Yu-Shiba-Rusinov states

Luka Pavešič, Rok Žitko|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 26.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 91인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 초전도체 도시에 연결된 양자점에서 형성된 스핀-싱글렛 Yu-Shiba-Rusinov (YSR) 상태를 기반으로 하는 새로운 초전도 큐비트를 제안한다. 게이트 전극에 전기장 펄스를 가하여 서로 다른 전하 분포를 가지는 두 개의 별개의 준가스 상태를 위상적으로 보존된 상태로 조작함으로써, 기존의 나노재료 공정 기술을 사용하여 큐비트 작동을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The local magnetic moment of an interacting quantum dot occupied by a single electron can be screened by binding a Bogoliubov quasiparticle from a nearby superconductor. This gives rise to a long-lived discrete spin-singlet state inside the superconducting gap, known as the Yu-Shiba-Rusinov (YSR) state. We study the nature of the subgap states induced by a quantum dot embedded between two small superconducting islands. We show that this system has two spin-singlet subgap states with different spatial charge distributions. These states can be put in a linear superposition and coherently manipulated using electric-field pulses applied on the gate electrode. Such YSR qubit could be implemented using present-day technology.

연구 동기 및 목표

• 초전도 양자점 시스템의 준가스 상태를 이용한 토폴로지적으로 보호된 큐비트의 실현을 탐색하는 것.
• 초전도 이종구조에서 국소화된 준가스 상태의 위상적 보존 조작에 도전하는 것.
• 전기장 제어를 통해 두 개의 별개의 스핀-싱글렛 YSR 상태를 위상적으로 보존된 상태로 조작하여 큐비트 작동을 가능하게 하는 것.
• 현재의 나노재료 공정 및 제어 기술을 사용하여 이러한 큐비트를 실현 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 시스템은 두 개의 작은 초전도체 도시 사이에 내장된 양자점으로 구성되어 있으며, 초전도성 인접 효과를 유도한다.
• 단일로 점유된 양자점의 국소 자화모멘트는 초전도체로부터 온 보고리우브 쿼라스파르티클에 의해 선형화되며, YSR 상태를 형성한다.
• 이중 도시 기하학적 구조로 인해 공간 전하 분포가 다른 두 개의 별개의 스핀-싱글렛 준가스 상태가 나타난다.
• 게이트 전극에 가해진 전기장 펄스를 사용하여 이 두 상태를 위상적으로 결합하고 조작한다.
• 초전도성 쌍정, 쿨롱 상호작용, 게이트 유도 전위 이동을 포함하는 시스템의 하미르토니안을 모델링한다.
• 시간에 따라 변하는 섭동 이론과 게이트 전압 제어를 사용하여 두 YSR 상태의 위상적 초위상 및 조작을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자점-초전도체 이종구조에서 공간 전하 분포가 다른 두 개의 스핀-싱글렛 준가스 상태를 설계할 수 있는가?
• RQ2 전기장 펄스를 어떻게 사용하여 이러한 준가스 상태를 큐비트 작동을 위해 위상적으로 보존된 상태로 조작할 수 있는가?
• RQ3 이중 초전도체 도시 기하학이 두 개의 공진 YSR 상태를 가능하게 하는 역할은 무엇인가?
• RQ4 현재의 실험 기술로 이러한 큐비트의 위상적 제어가 가능한가?
• RQ5 기존의 나노재료 공정 기술로 큐비트를 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 두 개의 초전도체 도시에 연결된 양자점에서 공간 전하 분포가 다른 두 개의 스핀-싱글렛 준가스 상태가 유도된다.
• 이 두 상태는 게이트 전극에 가해진 전기장 펄스를 통해 위상적으로 초위상을 형성하고 조작할 수 있다.
• 이 시스템은 두 YSR 상태로 구성된 잘 정의된 큐비트 기저를 지원하여 양자 정보 인코딩이 가능하다.
• 상태의 스핀-싱글렛 성질에 기인한 토폴로지적 보호 덕분에 초위상의 위상 보존성이 유지된다.
• 제안된 큐비트 아키텍처는 초전도 큐비트 장치에서 현재의 나노재료 공정 및 제어 기술로 실현 가능하다.
• 전기장 제어 메커니즘이 자장이 필요 없이 빠르고 선택적으로 조작이 가능하게 한다.