[논문 리뷰] Spectroscopy of spin-split Andreev levels in a quantum dot with superconducting leads

Arno Bargerbos, Marta Pita‐Vidal외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 19.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 65인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 초전도 큐비트 절연체 양자점 조우슨 접합에서 스핀 분리된 안드레에프 결합 상태의 전적으로 전기적 제어 및 분광 측정을 수행한다. 접합을 스핀 1/2 기저 상태로 조정하고 작은 자기장(<40 mT)을 적용함으로써 연구자들은 두 개의 플럭스 민감한 스핀 분지들을 해석하고, 이례적인 조우슨 효과를 관찰하며, 마이크로파 유도 전기 dipole 스핀 공명을 통해 직접적으로 스핀 전환을 자극하였다. 이는 장수한 양자 비틀림 시간을 지닌 견고한 전기적 제어가 가능한 안드레에프 스핀 큐비트로 향하는 길을 열어준다.

ABSTRACT

We use a hybrid superconductor-semiconductor transmon device to perform spectroscopy of a quantum dot Josephson junction tuned to be in a spin-1/2 ground state with an unpaired quasiparticle. Due to spin-orbit coupling, we resolve two flux-sensitive branches in the transmon spectrum, depending on the spin of the quasi-particle. A finite magnetic field shifts the two branches in energy, favoring one spin state and resulting in the anomalous Josephson effect. We demonstrate the excitation of the direct spin-flip transition using all-electrical control. Manipulation and control of the spin-flip transition enable the future implementation of charging energy protected Andreev spin qubits.

연구 동기 및 목표

• 장수한 준입자 상태를 지닌 초전도 큐비트 절연체 양자점 조우슨 접합에서 스핀 상태의 전적으로 전기적 제어를 달성하기 위해.
• InAs/Al 나노와이어 장치에서 스핀-오비탈 결합에 기인한 스핀 분리된 안드레에프 결합 상태의 분광적으로 해석하기 위해.
• 자기장 유도된 에너지-위상 관계의 이동을 통해 이례적인 조우슨 효과를 증명하기 위해.
• 더 빠르고 단순한 큐비트 조작을 위해 전기 dipole 스핀 공명(EDSR)을 사용하여 직접적으로 마이크로파 유도 스핀 전환 전이를 가능하게 하기 위해.
• 조정 가능한 플럭스 및 자기장 제어 전이 주파수를 지닌 충전 에너지 보호 안드레에프 스핀 큐비트 플랫폼을 개발하기 위해.

제안 방법

• InAs/Al 나노와이어 조우슨 접합에 내장된 게이트 조절 가능한 양자점이 포함된 하이브리드 초전도체-반도체 트랜몬 장치를 제작하였다.
• 트랜몬 분광 측정을 통해 트랜몬과 양자점 접합의 병합 에너지 준위를 탐색하였으며, 플럭스 및 자기장 의존 전이 주파수를 측정하였다.
• 외부 자기장을 적용하여 스핀 degeneracy를 해체하고 스핀 상태 간의 에너지 분리도 조절함으로써 스핀 준수준의 선택적 인플레이션을 가능하게 하였다 (최대 40 mT).
• 하부 게이트에 마이크로파 펄스를 적용하여 전기 dipole 스핀 공명(EDSR)을 유도하고, 이중도 상태 간의 직접적인 스핀 전환 전이를 자극하였다.
• 수정된 단일 불순성 앤더슨 모델(SIAM)을 사용하여 시스템을 모델링하고 실험 데이터를 스핀 분리된 안드레에프 준위 및 이례적인 조우슨 거동에 대한 이론 예측과 비교하였다.
• 플럭스 주기성 및 주파수 이동 측정에서 효과적인 Landé g-요소(g∥ = 11, g⊥ = 3.8)를 추출하였으며, 스핀-오비탈 결합 효과를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 트랜몬 기반 기술을 사용하여 초전도 큐비트 절연체 양자점 접합에서 스핀 분리된 안드레에프 결합 상태를 분광적으로 해석할 수 있는가?
• RQ2 외부 자기장은 스핀 분리된 안드레에프 준위의 에너지 분리도와 플럭스 의존성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이례적인 조우슨 효과—비제로이자 스핀에 의존하는 최소 위상 φ₀ ≠ 0, π—는 이 시스템에서 관찰되고 제어될 수 있는가?
• RQ4 보조 준위 없이 초전도 하이브리드 장치에서 직접적인 전기 dipole 유도 스핀 전환 전이가 가능한가?
• RQ5 자기장과 플럭스를 통해 스핀 상태 간의 전이 주파수를 어느 정도 조절할 수 있는가? 이는 확장 가능한 큐비트 통합에 기여하는가?

주요 결과

• 전자 온도보다 작은 에너지 분리도 존재하는 상황에서도 트랜몬 기반 측정 감도 덕분에 스핀 분리된 안드레에프 결합 상태가 분광적으로 해석되었다.
• 트랜몬 스펙트럼에서 스핀 업 및 스핀 다운 상태에 해당하는 두 개의 별도된 플럭스 민감한 분지가 관측되었으며, 자기장에 의해 에너지 분리도 조절 가능하였다.
• 40 mT 미만의 자기장이 조우슨 에너지-위상 관계에 측정 가능한 이동을 유도하여, 스핀에 의존하는 최소 위상 φ₀ ≠ 0, π를 지닌 이례적인 조우슨 효과를 확인하였다.
• 효과적인 Landé g-요소(g∥ = 11, g⊥ = 3.8)가 플럭스 주기성 및 주파수 이동 측정에서 추출되었으며, 강한 스핀-오비탈 결합과 자기장에 대한 이방성 스핀 반응을 나타내었다.
• 게이트 전압 펄스를 사용한 전기 dipole 스핀 공명(EDSR)을 통해 직접적인 마이크로파 유도 스핀 전환 전이가 달성되었으며, 보조 준위 없이 전적으로 전기적 제어가 가능하였다.
• 스핀 1/2 기저 상태에서 준입자 수명은 1 ms를 초월하였으며, 이는 큰 충전 에너지가 준입자 독성 억제에 기여하여 안정적인 큐비트 작동을 가능케 했다.