[논문 리뷰] Spin-valley qubits in gated quantum dots in a single layer of transition metal dichalcogenides

Abdulmenaf Altıntaş, Maciej Bieniek외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 29.

2D Materials and Applications참고 문헌 85인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 단일층 전이 금속 디 chalcogenide(TMDC)에서 게이트된 양자점에서 스핀-밸리 큐비트에 대한 미시적 원자론적 이론을 제안한다. 강한 스핀-오비탈 결합과 밸리 잠금 현상을 활용하여 디지털 큐비트 상태를 생성한다. 큐비트는 수직 전기장(스핀-오비탈 결합을 활성화하기 위해)과 국소화된 수평 게이트(밸리 혼합을 유도하기 위해)의 조합을 통해 조작되며, 현실적인 수백만 원자를 포함하는 나노구조에서 높은 정밀도로 보편적인 단일 큐비트 연산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We develop a microscopic and atomistic theory of electron spin-based qubits in gated quantum dots in a single layer of transition metal dichalcogenides. The qubits are identified with two degenerate locked spin and valley states in a gated quantum dot. The two-qubit states are accurately described using a multi-million atom tight-binding model solved in wavevector space. The spin-valley locking and strong spin-orbit coupling result in two degenerate states, one of the qubit states being spin-down located at the $+K$ valley of the Brillouin zone, and the other state located at the $-K$ valley with spin up. We describe the qubit operations necessary to rotate the spin-valley qubit as a combination of the applied vertical electric field, enabling spin-orbit coupling in a single valley, with a lateral strongly localized valley-mixing gate.

연구 동기 및 목표

• 단일층 TMDC에서 게이트된 양자점의 스핀-밸리 큐비트에 대한 미시적 원자론적 이론을 개발하는 것.
• 논리 큐비트 기저를 형성하는 두 개의 디지털 상태인 스핀-밸리 잠금 상태를 식별하고 특성화하는 것.
• 스핀-밸리 큐비트에 대한 보편적인 단일 큐비트 연산을 위한 실용적이고 실험적으로 호환 가능한 방법을 제공하는 것.
• 큐비트의 회전(σx 연산)이 수직 전기장과 국소화된 수평 잠재력의 조합을 통해 달성될 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• TMDC 양자점의 전자 상태를 기술하기 위해 파동수 공간에서 수백만 원자를 포함하는 타이트-버인드 모델을 사용한다.
• 가우시안 잠재력(깊이 V0, 반경 RQD)을 통해 양자점의 구속을 모델링한다.
• 역공간에서 k·p 유사 접근법을 통해 스핀-오비탈 결합과 밸리 자유도를 명시적으로 포함한다.
• 스핀-오비탈 결합을 활성화하고 스핀 전환을 가능하게 하기 위해 시간에 따라 변하는 수직 전기장을 적용한다.
• 시간에 따라 변하는 고도로 국소화된 수평 잠재력을 사용하여 밸리 혼합을 유도하고 K 및 -K 밸리 간의 전이를 가능하게 한다.
• 도핑된 전도대 상태의 궤도 성분을 짝수 대칭성 금속 궤도와 황 화합물 이중체 궤도의 선형 조합으로 분석하여 큐비트 회전의 메커니즘을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원자론적 전자 구조 이론을 사용하여 단일층 TMDC에서 게이트된 양자점에 스핀-밸리 큐비트를 어떻게 인코딩할 수 있는가?
• RQ2 스핀-밸리 큐비트에 대해 보편적인 단일 큐비트 연산을 수행하기 위해 필요한 외부 제어 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 수직 전기장과 수평 게이트가 함께 작용하여 큐비트 회전에 필요한 스핀 및 밸리 전환을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 궤도 대칭성과 반전 대칭성이 TMDC에서 스핀-밸리 큐비트 작동에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 그래핀 배게이트와 STM 톱을 사용한 실험적으로 실현 가능한 게이트로 제안된 방법을 적용할 수 있는가?

주요 결과

• 게이트된 양자점에서 두 번째로 낮은 전자 상태는 스핀-밸리 잠금 상태의 디지털 이중성을 이루며, +K 밸리에 있는 한 상태는 스핀 아래, -K 밸리에 있는 다른 상태는 스핀 위이다.
• 큐비트의 회전(σx 연산)은 시간에 따라 변하는 수직 전기장과 시간에 따라 변하는 국소화된 수평 잠재력의 동시 적용을 통해 달성된다.
• 수직 전기장은 주로 황층에 작용하여 홀수 대칭 전도대를 활성화하고, 스핀-오비탈 결합을 통해 스핀 전환을 가능하게 한다.
• 수평 게이트는 반대 스핀 궤도에 작용하여 밸리 혼합을 유도하고, 두 디지털 큐비트 상태 간의 전이를 가능하게 한다.
• 이 방법은 이중 그래핀 수직 게이트와 WSe2 기반 양자점에 대한 STM 기반 수평 게이트를 포함한 기존 실험 장치와 호환된다.
• 이 방법은 현실적인 수백만 원자를 포함하는 TMDC 나노구조에서 보편적인 단일 큐비트 연산을 가능하게 하여 스케일러블한 스핀-밸리 큐비트 아키텍처의 길을 열어준다.