[논문 리뷰] Sweet-spot operation of a germanium hole spin qubit with highly anisotropic noise sensitivity

Nico W. Hendrickx, Leonardo Massai외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 22.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 50인용 수 9

한 줄 요약

본 연구는 Ge/SiGe 양자 우물에서 매우 이방적인 무거운 구멍 g-텐서를 특성화하고, 전계에 의해 구동되는 g-텐서 변조를 큐비트 구동·탈상관과 연관시키며, 아이징 형태의 하이퍼파인 커플링을 시연하고, 고충실도 저전력 큐비트 작동을 가능하게 하는 하이퍼파인 스위트 스팟을 확인한다.

ABSTRACT

Spin qubits defined by valence band hole states comprise an attractive candidate for quantum information processing due to their inherent coupling to electric fields enabling fast and scalable qubit control. In particular, heavy holes in germanium have shown great promise, with recent demonstrations of fast and high-fidelity qubit operations. However, the mechanisms and anisotropies that underlie qubit driving and decoherence are still mostly unclear. Here, we report on the highly anisotropic heavy-hole $g$-tensor and its dependence on electric fields, allowing us to relate both qubit driving and decoherence to an electric modulation of the $g$-tensor. We also confirm the predicted Ising-type hyperfine interaction but show that qubit coherence is ultimately limited by $1/f$ charge noise. Finally, we operate the qubit at low magnetic field and measure a dephasing time of $T_2^*=9.2$ $μ$s, while maintaining a single-qubit gate fidelity of 99.94 %, that remains well above 99 % at an operation temperature T>1 K. This understanding of qubit driving and decoherence mechanisms are key for the design and operation of scalable and highly coherent hole qubit arrays.

연구 동기 및 목표

• Ge/SiGe 양자 우물에서 무거운 구멍 스핀이 전계 및 자기장 방향에 어떻게 반응하는지 이해한다.
• 무거운 구멍 g-텐서의 이방성 및 전계 민감도를 특성화하여 구동과 탈상관 메커니즘을 연결한다.
• 탈상관을 최소화하면서도 빠른 큐비트 제어를 유지하는 스위트 스팟이 존재하는지 확인한다.
• 낮은 자기장 및 비교적 높은 온도에서의 고충실도 단일 큐비트 작동을 시연한다.
• Ge-73 핵과의 하이퍼파인 상호작용 및 이의 이방성이 코히어런스에 미치는 함의를 평가한다.

제안 방법

• 다양한 B 방향에서 루머드 주파수로부터 g*를 추출하여 두 개의 Ge 구멍 큐비트의 g-텐서를 측정한다.
• 실험 데이터에 Euler 각으로 맞춘 회전 대각 텐서로 g-텐서를 모델링한다.
• Hahn 에코 및 CPMG 시퀀스를 적용하여 전하 잡음에 의한 탈상관과 핵스핀에 의한 탈상관의 기여를 분리한다.
• 게이트 전압을 조절하여 g-텐서 성분의 변화를 매핑하고(∂g/∂Vi)와 fQ, fRabi와의 관계를 규명한다.
• 측정된 ∂g/∂Vi로부터 Rabi 주파수를 예측하기 위해 g-텐서 매개 공진(g-Tensor-Mediated Resonance, g-TMR) 이론을 활용하고 실험과 비교한다.
• Ge-73과의 하이퍼파인 커플링을 분석하여 아이징류 상호작용과 이의 코히어런스 영향을 식별한다.

Figure 1: A germanium hole two-qubit system. a , Schematic drawing of the three quantum dot device. We define qubits Q1 and Q2 underneath plunger gates P1 and P2 respectively, that can be read out using the nearby charge sensor (CS) defined by gates SP, SB1, and SB2. The coupling between the qubits

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ge/SiGe 양자 우물에서 무거운 구멍 g-텐서의 방향성 및 자기장 세기에 따른 의존성은 어떻게 되는가?
• RQ2 전계 요동(전하 잡음)이 g-텐서 변조를 어떻게 연결하여 구멍 스핀 큐비트를 구동하거나 탈상관시키는가?
• RQ3 Ge-73과의 하이퍼파인 상호작용은 아이징 형태인가, 그리고 이 이방성이 큐비어 코히어런스에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 특히 낮은 자기장에서 구동을 최적화하고 탈상관을 최소화하는 작동 스위트 스팟은 발견될 수 있는가?
• RQ5 확정된 스위트 스팟과 저전력 작동에서의 실용적인 코히어런스 및 게이트 충실도 이점은 무엇인가?

주요 결과

• 두 큐비트 모두에서 무거운 구멍 g-텐서는 매우 이방적이며, g z′ ≈ 30, g y′ ≈ 180, g x′; 주축은 두 큐비트 사이에서(<10% 차이) 가깝게 일치한다.
• 큐비트 구동과 탈상관은 g-텐서의 전계 유도 왜곡(g-텐서 변조)에 의해 좌우된다.
• Ge-73과의 하이퍼파인 커플링은 아이징형이며, 평면 필드에서 강하게 억제되지만 전반적인 코히어런스는 1/f 전하 잡음에 의해 제한된다.
• 두 큐비트의 양자화 축이 정렬되어 핵소음-주도 위상변화를 억제하는 하이퍼파인 스위트 플레인이 존재하여 긴 코히어런스 시간을 가능하게 하며, 저전압에서 T2* ≈ 17.6 μs 및 T2DD > 1 ms의 고충실도 게이트를 구현한다.
• 단일 큐비트 게이트 충실도는 B = 12 mT에서 99.94%에 도달하고, 1.1 K까지 99% 이상을 유지하여 높은 온도에서도 견고한 작동을 나타낸다.

Figure 2: Measurement of the hole $\bm{g}$ -tensor. a - c , e - g , Cross section of the $g$ -tensor of Q1 ( a - c ) and Q2 ( e - g ) in the $xy$ -plane ( a , d ), $xz$ -plane ( b , e ), and the $yz$ -plane ( c , f ) of the magnet frame. Dots indicate measurements of $g^{*}$ and the solid line corre