[論文レビュー] Mitigating the effects of charge noise and improving the coherence of a quantum dot hybrid qubit

Brandur Thorgrimsson, Dohun Kim+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2016

Quantum and electron transport phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、量子ドットハイブリッドキュービットにおける相干性を制限する主因として、電荷ノイズを特定し、キュービットパラメータの調整およびより大きなデチューニングでの操作によって、電荷に起因するフラクチュエーションを抑制することを示した。これらのパラメータを最適化することで、著者らはラムゼイ減衰時間 $T_2^* = 127~\mathrm{ns}$ および $1~\mathrm{\mu s}$ を超えるラビ減衰時間を達成し、従来の限界をはるかに上回るキュービットの相干性を実現した。

ABSTRACT

Identifying dominant sources of decoherence is an important step in understanding and improving quantum systems. Here we show that the free induction decay time ($T_{2}^{*}$) and the Rabi decay rate ($\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$) of the quantum dot hybrid qubit are limited by charge noise for a large range of detunings. We show that by tuning the parameters of the qubit, and by operating the qubit at larger detunings, the coherence times can be increased by more than an order of magnitude. We achieve a Ramsey decay time $T_{2}^{*}$ of $127~\mathrm{ns}$ and a Rabi decay time, $1/\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$, exceeding $1~\mathrm{\mu s}$. We show that the slowest $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ is limited by fluctuations in the Rabi frequency induced by charge noise and not by fluctuations in the qubit energy itself.

研究の動機と目的

• 量子ドットハイブリッドキュービットにおけるデcohエレントの主因を特定すること。
• さまざまなデチューニングにおける電荷ノイズが $T_2^*$ およびラビ減衰率 $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ に与える影響を調査すること。
• ラビ周波数のフラクチュエーションとキュービットエネルギーのフラクチュエーションのどちらが $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ の主な寄与要因であるかを特定すること。
• キュービットの操作パラメータを最適化することで、相干性を向上させる戦略を開発すること。

提案手法

• キュービットのデチューニングを体系的に変化させ、$T_2^*$ および $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ に与える影響を調査する。
• ラムゼイ干渉計測定を用いて自由誘導減衰を評価する。
• ラビ振動の減衰を測定することで $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ を評価し、ノイズ寄与を分離する。
• ラビ周波数のフラクチュエーションと $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ の相関を分析し、ノイズ源を区別する。
• ゲート電圧の調整によりキュービットパラメータを変更し、電荷ノイズへの感受性を低減する。
• 異なるデチューニングにおける相干時間の比較を通じて、最適な動作領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子ドットハイブリッドキュービットにおける $T_2^*$ および $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ を制限する主なデcohエレント要因は何か？
• RQ2 キュービットのデチューニングを増加させると、相干時間およびラビ減衰率にどのような影響を与えるか？
• RQ3 ラビ周波数のフラクチュエーションとキュービットエネルギーのフラクチュエーションのどちらが $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ の主な寄与要因か？
• RQ4 より大きなデチューニングでの操作とキュービットパラメータの最適化によって、相干性を顕著に向上させられるか？

主な発見

• 広いデチューニング範囲にわたり、電荷ノイズが $T_2^*$ および $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ を制限する主因であると特定された。
• デチューニングを増加させることで、電荷ノイズの影響が低減し、相干時間に10倍以上の向上が見られた。
• ラムゼイ減衰時間 $T_2^*$ が $127~\mathrm{ns}$ に達した。これは、過去の結果に比べ顕著な向上である。
• ラビ減衰時間は $1~\mathrm{\mu s}$ を超えており、ラビ周波数のフラクチュエーションに起因するデcohエレントが抑制されていることを示している。
• 最も遅い $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ は、キュービットエネルギーのフラクチュエーションではなく、電荷ノイズに起因するラビ駆動のフラクチュエーションによって制限されている。
• より大きなデチューニングでの最適な動作により、電荷ノイズの影響が顕著に抑制され、より長い相干性が実現可能となった。