[논문 리뷰] Robust poor man's Majorana zero modes using Yu-Shiba-Rusinov states

Francesco Zatelli, David van Driel외 15명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 06.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초전도체 인접 결합된 InSb 양자점에서 Yu-Shiba-Rusinov (YSR) 상태를 설계하여 이중 궤도 Kitaev 체인에서 강건한 '빈민용 Majorana' 0 모드를 구현한다. 초전도체와의 강한 하이브리드화로 에너지 갭이 76 μeV로 증가하고 전하 분산이 두 계단 감소하여 전하 노이즈에 대한 안정성이 크게 향상되어 실용적인 토폴로지 큐비트 응용이 가능해졌다.

ABSTRACT

The recent realization of a two-site Kitaev chain featuring "poor man's Majorana" states demonstrates a path forward in the field of topological superconductivity. Harnessing the potential of these states for quantum information processing, however, requires increasing their robustness to external perturbations. Here, we form a two-site Kitaev chain using proximitized quantum dots hosting Yu-Shiba-Rusinov states. The strong hybridization between such states and the superconductor enables the creation of poor man's Majorana states with a gap larger than $70 \mathrm{~μeV}$. It also greatly reduces the charge dispersion compared to Kitaev chains made with non-proximitized quantum dots. The large gap and reduced sensitivity to charge fluctuations will benefit qubit manipulation and demonstration of non-abelian physics using poor man's Majorana states.

연구 동기 및 목표

• 스케일러블 토폴로지 양자 컴퓨팅을 위해 '빈민용 Majorana' 상태의 전하 변동에 대한 내성을 향상시키기 위해.
• 이전의 QD 기반 Kitaev 체인에서 작은 갭과 높은 전하 노이즈에 대한 민감도로 인한 한계를 극복하기 위해.
• 하이브리드 InSb/Al 나노와이어 플랫폼에서 강하게 결합된 YSR 상태를 이용해 이중 궤도 Kitaev 체인을 실현하기 위해.
• 전하 분산을 크게 감소시키고 에너지 갭을 크게 확보하여 실용적인 비아벨 braiding 및 큐비트 연산을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 양자점(QD)이 단일 초전도체 Al 세그먼트에 결합된 하이브리드 InSb/Al 나노와이어 이종구조를 설계하였다.
• 플런저 게이트를 사용하여 각 QD의 화학적 위치를 조절하고 초전도체와의 결합을 제어하였다.
• QD와 초전도체 간의 강한 하이브리드화를 이용해 스핀 정렬 YSR 상태를 형성하였다.
• 국소 전도도 분광 측정을 통해 안드레이예프 결합 상태(ABS) 스펙트럼을 매핑하고 Majorana 유사 교차점을 식별하였다.
• 직렬 저항을 보정하기 위해 전압 분압기 보정을 적용하여 정확한 턨널링 스펙트럼을 추출하였다.
• 결합된 YSR 상태의 수치 모델링을 수행하여 실험적 전도도 행렬을 재현하고 터널링 파rameter를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도체 인접 결합된 양자점에서의 YSR 상태는 기존 QD 기반 Kitaev 체인보다 더 강건한 '빈민용 Majorana' 0 모드를 가능하게 하는가?
• RQ2 이러한 YSR 기반 이중 궤도 Kitaev 체인에서 기초 상태와 첫 번째 옹진 상태 사이의 도달 가능한 에너지 갭은 얼마인가?
• RQ3 초전도체와의 강한 결합이 전하 분산과 전하 변동에 대한 민감도를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ4 QD 플런저 게이트의 레버 암은 기존 QD 시스템과 비교해 어떻게 다른가? 이는 전하 노이즈에 대한 내성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 관측된 Majorana 유사 0 편향 전도도 피크는 결합된 YSR 상태의 이론적 모델링에 의해 일관되게 재현될 수 있는가?

주요 결과

• '빈민용 Majorana' 상태의 기초 상태와 첫 번째 옹진 상태 사이의 에너지 갭이 76 μeV에 도달하여 이전 보고보다 3배 증가하였다.
• 비프록시마티제이션된 QD 기반 Kitaev 체인과 비교해 전하 분산이 두 계단 감소하여 전하 노이즈에 대한 내성이 크게 향상되었다.
• 좌측 QD 플런저 게이트의 레버 암은 α ≈ 0.05e로 측정되었고, 우측 QD의 경우 α ≈ 0.04e로 측정되어 강력한 전자기적 제어를 나타내었다.
• 결합된 YSR 상태의 수치 모델링이 실험적 전도도 행렬을 재현하고, 센터 스피트에서 Majorana 유사 교차점의 존재를 확인하였다.
• 전압 분압기 보정을 통해 직렬 저항이 이전에 진짜 비국소 신호를 가리고 있었음을 밝혀냈고, 보정 후 중심 0 편향 피크가 대칭이 되어 진정한 Majorana 서명임을 확인하였다.
• 이러한 결과는 2D InAsSb/Al 플랫폼에 대한 병행 연구와 함께 확인되었으며, YSR 기반 접근법의 광범위한 적용 가능성을 뒷받침한다.