[論文レビュー] Cavity quantum electrodynamics with semiconductor double-dot molecules on a chip

Jacob M. Taylor, Mikhail D. Lukin|arXiv (Cornell University)|May 5, 2006

Quantum Information and Cryptography被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、半導体二重ドット分子をマイクロ波ストライプライン共振器に結合させたチップ内埋め込み型キャビティ量子電磁力学系を提案し、有効な電気双極子モーメントを介して強いスピン-共振器結合を実現する。主な貢献は、最小限のデ coherent 化で強い結合を達成する最適作動点の特定であり、これによりcoherent制御、高速なQND測定、およびスピンと光子qubit間のSWAP操作（誤差率約2％）が可能になる。

ABSTRACT

We describe a coherent control technique for coupling electron spin states associated with semiconductor double-dot molecule to a microwave stripline resonator on a chip. We identify a novel regime of operation in which strong interaction between a molecule and a resonator can be achieved with minimal decoherence, reaching the so-called strong coupling regime of cavity QED. We describe potential applications of such a system, including low-noise coherent electrical control, fast QND measurements of spin states, and long-range spin coupling.

研究の動機と目的

• 半導体二重ドット分子における電子スピン状態のスケーラブルでチップ内埋め込み型のcoherent制御プラットフォームの開発。
• 電荷およびスピンノイズによるデ coherent 化を最小限に抑えた状態で、二重ドット分子スピンqubitとマイクロ波ストライプライン共振器との強い結合を達成すること。
• 高速なQND測定、coherent電気的制御、光子を介した長距離スピン結合を含む実用的な量子情報処理タスクの実現。
• 結合強度が最大でデ coherent 化が最小となる最適作動点の特定により、固体系におけるキャビティQEDの強い結合領域を実現すること。

提案手法

• 2つの電子を有する二重ドット分子を用い、(1,1)T₀状態をqubitとし、(0,2)S状態をトンネル幅tを介して結合された補助状態とする。
• ゲート電圧によるバイアスΔ₀の電気的制御によりqubitのcoherent操作が可能であり、共振器への容量結合により動的電圧シフトΔ = Δ₀ + eV̂C_c/C_totが導入される。
• 交換結合スピン状態に伴う電気双極子モーメントに起因する有効スピン-共振器結合が生じ、マイクロ波駆動によるラビ振動を可能にする。
• 有効結合強度g_effは、qubit遷移における共振器電圧演算子の行列要素から導出され、回避クロスイング点でノイズ感受度が最小化される。
• 駆動されたキャビティハミルトニアンとcoherent状態入力を用いたモデルにより、ラビ駆動、QND測定、SWAP操作などの量子制御プロトコルがモデル化される。
• g_effとT₂の積を最小化し、g_eff/T₁を最大化することで最適パラメータが決定され、結合とデ coherent 化のトレードオフが生じる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電荷およびスピンノイズによるデ coherent 化を最小限に抑えた固体系において、半導体二重ドットスピンqubitとマイクロ波ストライプライン共振器との強い結合を達成できるか？
• RQ2 パrameter空間（Δ₀, t, dB）における最適作動点は何か？ これは、有効スピン-共振器結合を最大にし、電荷およびスピンノイズへの感受度を最小化する。
• RQ3 このハイブリッド系を用いて、高速で低ノイズな量子制御技術（QND測定、SWAP操作など）を実装できるか？
• RQ4 このアーキテクチャにおける量子操作の忠実度を制限する主なデ coherent 化メカニズムは何か？ そして、それらはどのように軽減できるか？
• RQ5 この系は、光子を介した中継により長距離スピン結合を実現できるか？ これによりスケーラブルな量子情報処理が可能になるか？

主な発見

• エネルギー準位スペクトルの左端の回避クロスイング点に最適作動点が特定され、g_effが最大に、Δ₀およびdBノイズへの感受度が最小に抑えられる。
• 最適点において有効結合強度g_effは約0.4ηE₁₀に達し、g_effT₂ ≲ 1を満たす強いつながり領域を実現する。
• 裸のデコherence時間T₂,bare = 10 nsの場合、周波数が約1.5 GHzのキャビティでは、SWAP操作の誤差率が約2％に抑えられ、主に緩和およびデコherenceに起因する。
• スピンqubitのQND測定は約1 μsで完了し、検出器ノイズによって制限され、F = 1 - 10κ/g²T₁の忠実度を達成する。
• ラビ振動は、エネルギー準位のギャップとΔ₀に依存する遷移周波数の弱い依存性により、低周波数ノイズに対して頑健である。
• SWAP操作によりスピンqubit状態がキャビティ内の光子フォック状態にマッピングされ、量子情報を長距離量子通信やもつれ配布のための光子qubitに転送可能になる。