[논문 리뷰] Hole spin resonance in Ge double quantum dots

Hannes Watzinger, Josip Kukučka외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 01.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 3인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 게르마늄(Ge) 이중 양자점에서 홀의 전기 dipole 스핀 공진(EDSR)을 처음으로 입증한다. 이는 Ge의 강한 가변성 있는 스핀-오비트 결합을 활용한 것이다. 홀 스핀의 상실 시간에 대한 하한값으로 70 ns가 도출되었으며, 이는 초전도성 공진기와의 강한 결합 가능성을 지닌 스케일러블 홀 스핀 큐비트 플랫폼으로서 Ge의 잠재력을 입증한다.

ABSTRACT

Spins in isotopically purified Si have shown record coherence times and fidelities making them promising candidates for scalable quantum circuits. One of the key ingredients for realizing such circuits will be a strong coupling of spins to superconducting resonators. This has been recently achieved for Si by dressing electrons with spin orbit coupling. Ge, on the other hand, has by itself strong and tunable spin orbit coupling and gives good contacts to superconductors. However, in Ge no spin qubit has been realized so far. Here we do a first important step in this direction. We demonstrate for the first time electric dipole spin resonance (EDSR) of holes in Ge. From the line width of the EDSR peak we extract a lower limit for the dephasing time of about 70\,ns. The obtained results underline the importance of Ge as an alternative system for the realization of scalable hole spin qubits.

연구 동기 및 목표

• 게르마늄(Ge) 이중 양자점에서 홀의 전기 dipole 스핀 공진(EDSR)을 입증하는 것.
• 강한 가변성 있는 스핀-오비트 결합을 지닌 Ge에서 홀 스핀의 코herence 성질을 평가하는 것.
• 초전도성 공진기와의 강한 결합 가능성을 지닌 스케일러블 홀 스핀 큐비트 플랫폼으로서 Ge의 잠재력을 평가하는 것.
• 아직 달성되지 않은 Ge에서 홀 스핀 큐비트를 실현하기 위한 기초 단계를 확립하는 것.

제안 방법

• 핵자기 스핀에 의한 상실을 최소화하기 위해 동위원소로 순화된 Ge 이중 양자점의 제작.
• 스핀-오비트 결합을 통해 전자기파 주파수의 전기장 적용으로 홀 상태에서 EDSR 유도.
• EDSR 공진 피크 측정을 통해 스핀 전이 확률과 피크 너비 추출.
• EDSR 피크 너비 분석을 통해 스핀 상실 시간에 대한 하한값 추론.
• 동위원소로 순화된 Ge를 사용하여 코herence 시간 향상 및 핵자기 스핀에 의한 상실 감소.
• Ge의 내재된 강한 스핀-오비트 결합을 활용하여 외부 자기장 없이 전기적으로 스핀 제어 가능하게 함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ge 이중 양자점의 홀 상태에서 전기 dipole 스핀 공진(EDSR)을 달성할 수 있는가?
• RQ2 EDSR 조건 하에서 Ge에서 홀 스핀의 상실 시간은 얼마인가?
• RQ3 Ge의 강하고 가변성 있는 스핀-오비트 결합은 어떻게 전기적으로 제어 가능한 스핀 조작을 가능하게 하는가?
• RQ4 Ge는 초전도성 공진기와의 강한 결합 가능성을 지닌 스케일러블 홀 스핀 큐비트 아키텍처에 어떤 잠재력을 지닌다?
• RQ5 동위원소로 순화된 Ge는 고장 내성 양자 계산을 위한 충분한 스핀 코herence 시간을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• Ge 이중 양자점에서 홀의 전기 dipole 스핀 공진(EDSR)이 처음으로 성공적으로 입증되었다.
• 측정된 EDSR 피크 너비로부터 홀 스핀의 상실 시간에 대한 하한값으로 70 ns가 도출되었다.
• 관측된 상실 시간은 Ge에서 스케일러블 홀 스핀 큐비트의 잠재성을 뒷받침한다.
• 결과는 Ge의 강하고 가변성 있는 스핀-오비트 결합이 효율적인 전기적 스핀 제어를 가능하게 한다는 것을 확인한다.
• 동위원소로 순화된 Ge는 긴 스핀 코herence를 위한 유리한 환경을 제공하며, 양자 정보 응용 분야에서의 활용 가능성을 뒷받침한다.
• 이 연구는 초전도성 공진기와의 통합을 통해 스케일러블 양자 회로를 위한 Ge에서 홀 스핀 큐비트를 실현하기 위한 핵심 기초를 마련한다.