[論文レビュー] Direct manipulation of a superconducting spin qubit strongly coupled to a transmon qubit

Marta Pita‐Vidal, Arno Bargerbos+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、量子ドットジャニソン接合における電気双極子スピン共鳴を用いて、超伝導スピンキュービット（アンドレーエフスピンキュービット）を直接的・高速的・一貫性を持って制御することを示した。Rabi周波数は200 MHzを超える。このキュービットは強力かつ直接的にトランスモンキュービットと結合されており、中間共振器を経由せずに量子情報の coherent な交換が可能であり、スピンと超伝導キュービットを組み合わせたハイブリッド量子アーキテクチャへの重要な一歩を示している。

ABSTRACT

Spin qubits in semiconductors are currently one of the most promising architectures for quantum computing. However, they face challenges in realizing multi-qubit interactions over extended distances. Superconducting spin qubits provide a promising alternative by encoding a qubit in the spin degree of freedom of an Andreev level. Such an Andreev spin qubit could leverage the advantages of circuit quantum electrodynamic, enabled by an intrinsic spin-supercurrent coupling. The first realization of an Andreev spin qubit encoded the qubit in the excited states of a semiconducting weak-link, leading to frequent decay out of the computational subspace. Additionally, rapid qubit manipulation was hindered by the need for indirect Raman transitions. Here, we exploit a different qubit subspace, using the spin-split doublet ground state of an electrostatically-defined quantum dot Josephson junction with large charging energy. Additionally, we use a magnetic field to enable direct spin manipulation over a frequency range of 10 GHz. Using an all-electric microwave drive we achieve Rabi frequencies exceeding 200 MHz. We furthermore embed the Andreev spin qubit in a superconducting transmon qubit, demonstrating strong coherent qubit-qubit coupling. These results are a crucial step towards a hybrid architecture that combines the beneficial aspects of both superconducting and semiconductor qubits.

研究の動機と目的

• 従来の間接的ラーマン遷移に依存しない直接的電気的制御を有する超伝導スピンキュービットの開発。
• 量子ドットのチャージエネルギーを用いて計算サブスペースを安定化させ、高エネルギーのアンドレーエフ準位へのリークを低減すること。
• スピンキュービットとトランスモンキュービットの強力かつ直接的結合を実現し、スケーラブルな量子情報処理を可能とすること。
• 磁場を用いたqubit遷移周波数の調整範囲を10 GHz以上に拡大し、制御精度と読み取り精度の向上を実現すること。
• 半導体スピンキュービットのスケーラビリティと超伝導トランスモンのコherenecとcircuit-QED適合性を統合するハイブリッドプラットフォームの構築。

提案手法

• 大きなチャージエネルギーを持つジョセフソン接合内の静電的ドーピングで定義された量子ドットに、アンドレーエフスピンキュービットを実現し、二重項基底状態を安定化する。
• すべて電気的マイクロ波駆動を用いた電気双極子スピン共鳴（EDSR）により直接スピン操作を実現し、200 MHzを超えるRabi周波数を達成する。
• ゼーマン分裂の磁場制御により、qubit遷移周波数を10 GHzを超える範囲で制御可能となり、励起状態の励起状態の励起を抑制可能となる。
• 中間共振器を必要とせず、内在するスピン-スーパーカレント結合を通じて、スピンキュービットと超伝導トランスモンキュービットをcoherentに結合する。
• 理論的モデルは、結合強度が $ J \propto E_{\rm SO} \phi_{\rm zpf} \sin(\theta) $ のように比例することを予測し、数百MHzの結合レートが最適化により達成可能であることを示唆する。
• 量子回路ハミルトニアンのシミュレーションを用いて実験的パラメータを抽出し、観測された強力な結合状態を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 仮想状態への遷移に依存せずに、超伝導スピンキュービットの直接的電気的制御が可能か？
• RQ2 量子ドットのチャージエネルギーを用いて、アンドレーエフスピンキュービットの計算サブスペースを安定化させ、リークを抑制できるか？
• RQ3 内在するスピン-スーパーカレント結合を通じて、超伝導スピンキュービットとトランスモンキュービットの強力かつ直接的結合が可能か？
• RQ4 磁場を用いたqubit遷移周波数の調整範囲はどの程度か？また、これによりqubit制御と読み取りにどのような影響を与えるか？
• RQ5 スピンキュービットとトランスモンキュービットのハイブリッド系は、スケーラブルな2キュービット操作を可能とし、将来的に大規模量子回路に統合可能か？

主な発見

• アンドレーエフスピンキュービットは、直接的電気双極子スピン共鳴により200 MHzを超えるRabi周波数を達成し、高速な1キュービット操作が可能となった。
• 磁場制御によりqubit遷移周波数が10 GHzを超える範囲で調整可能であり、励起状態の励起を動的に抑制可能となった。
• スピンキュービットのコherenec時間は、InAs/InSbナノワイヤスピンキュービットと同等の水準を示し、核スピンからの顕著なデコherenceが寄与していることが示唆された。
• アンドレーエフスピンキュービットとトランスモンキュービットの強力なcoherent結合が実験的に確認され、結合強度がトランスモンのデコherenceレート（約1.2 × 2π MHz）を上回った。
• 観測された結合は内在的かつ直接的であり、中間共振器を必要とせず、ハイブリッド系における最初の強力なスピン-超伝導体結合の実現を示した。
• 理論的モデリングにより、スピン軌道結合と磁場方向の最適化により、数百MHzレベルの結合レートが達成可能であることが確認された。