[논문 리뷰] Light-mass hole-spin qubits formed in a Ge quantum well

L. A. Terrazos, André Saraiva외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 27.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 강한 스핀-오비트 결합과 낮은 효과 질량(~0.05 m₀)을 활용하여 광학적 제어가 가능한 빠른 양자 컴퓨팅 플랫폼으로 게리움(Ge) 양자우물 내 경량 질량의 구멍 스핀 큐비트를 제안한다. 백터리얼 계산 결과, 경량-중량 구멍 간의 큰(100 meV 이상) 분리와 스핀-0 동위원소의 높은 천연 농도로 인해 장수명의 얽힘 시간과 감소된 디코herence를 달성할 수 있다.

ABSTRACT

We argue, supported by \emph{ab initio} calculations, that hole spins in a Si$_{x}$Ge$_{1-x}$/Ge/ Si$_{x}$Ge$_{1-x}$ quantum well possess highly desirable properties as qubits, including a large ($>$100~meV) intrinsic splitting between the light and heavy hole bands and a very light ($\sim$0.05$\, m_0$) effective mass along the well direction, and a high natural abundance of nuclear spin-0 isotopes. Compared to electrons in quantum dots, such hole qubits benefit from larger size, and do not suffer from the presence of nearby quantum levels (e.g., valley states) that can detract from the operation of silicon electron-spin qubits. The strong spin-orbit coupling in Ge quantum wells may be harnessed to implement electric dipole spin resonance.

연구 동기 및 목표

• Ge 양자우물 내 구멍 스핀이 양자 정보 처리를 위한 견고한 큐비트로 가능한지를 탐색한다.
• 밸리 상태와 핵 스핀에 의한 디코herence 등의 문제점을 겪는 실리콘 내 전자 스핀 큐비트의 한계를 해결한다.
• Ge 양자우물의 고유한 전자 및 스핀 성질을 활용하여 큐비트의 얽힘 시간과 제어 성능을 향상시킨다.
• 구멍 시스템 내 강한 스핀-오비트 결합을 통해 전기적 디โพ일 스핀 공진을 실현한다.

제안 방법

• SiₓGe₁₋ₓ/Ge/SiₓGe₁₋ₓ 양자우물 내 구멍 상태의 밴드 구조와 효과 질량을 결정하기 위해 백터리얼 계산을 수행한다.
• 큐비트 에너지 수준의 분리 정도를 평가하기 위해 경량 및 중량 구멍 밴드 간의 분리를 분석한다.
• 큐비트의 얽힘 시간과 게이트 속도를 추정하기 위해 양자우물 방향의 구멍 효과 질량을 평가한다.
• 핵 스핀-0 동위원소의 천연 농도를 평가하여 허프라인 디코herence 억제 정도를 추정한다.
• 구멍 시스템 내 강한 스핀-오비트 결합을 활용한 전기적 디โพ일 스핀 공진 가능성을 평가한다.
• 디코herence 원인과 제어 메커니즘 측면에서 실리콘 큐비트 도트 내 전자 스핀 큐비트 플랫폼과의 비교 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ge 양자우물 내 구멍 스핀이 큐비트 상태를 다른 상태들로부터 격리하기 위해 충분히 큰 밴드 분리를 보일 수 있는가?
• RQ2 양자우물 방향의 구멍 효과 질량은 얼마이며, 이는 큐비트의 얽힘 시간과 게이트 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Ge 내 핵 스핀-0 동위원소의 존재가 구멍 스핀 큐비트의 디코herence를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ4 Ge 내 강한 스핀-오비트 결합이 전기적 디โพ일 스핀 공진을 가능하게 하여 모든 전기적 큐비트 제어를 실현할 수 있는가?
• RQ5 디코herence 및 제어 측면에서 실리콘 큐비트 도트 내 전자 스핀 큐비트 플랫폼과 비교해 볼 때, 구멍 스핀 큐비트 플랫폼은 어떠한가?

주요 결과

• Ge 양자우물 내 경량 및 중량 구멍 밴드는 100 meV 이상을 초과하는 큰 내재적 분리를 보이며, 이는 견고한 큐비트 상태 분리를 가능하게 한다.
• 양자우물 방향의 구멍 효과 질량은 약 ~0.05 m₀로 추정되며, 이는 높은 이동도와 빠른 게이트 동작 가능성을 시사한다.
• Ge 내 핵 스핀-0 동위원소의 높은 천연 농도로 인해 허프라인 유도 디코herence가 크게 감소한다.
• Ge 내 강한 스핀-오비트 결합은 전기적 디โพ일 스핀 공진의 실현을 가능하게 하여 모든 전기적 큐비트 제어를 가능하게 한다.
• 저에너지 밸리 상태의 부재와 전자 도트보다 큰 크기를 가진 구멍 큐비트로 인해 불필요한 상호작용이 감소하고 큐비트 정밀도가 향상된다.
• 큰 밴드 분리, 경량 효과 질량, 그리고 억제된 디코herence의 조합으로 인해 이 시스템은 확장 가능한 양자 컴퓨팅에 매우 유망하다.