[논문 리뷰] Simultaneous Operations in a Two-Dimensional Array of Singlet-Triplet Qubits

Federico Fedele, Anasua Chatterjee외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 04.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 42인용 수 41

한 줄 요약

이 논문은 주파수 다중 사용 읽기 방식과 동기화된 게이트 펄스를 사용하여, 사면체 인간산화갈륨(GaAs) 스피너-트리플렛 큐비트 4개로 구성된 2차원 배열에서 동시에 일어나는 응집성 작동과 단일 스타일 측정을 구현한다. 교환 진동의 품질 인자는 3.4에서 5.1 사이이며, 위상 분산 시간은 약 20 ns로 측정되었으며, 중심부에 있는 다전자 도트를 통해 조절 가능한 스핀-교환 커플러를 사용하여 확장 가능한 게이트 제어 스핀 큐비트 아키텍처를 실현한다.

ABSTRACT

In many physical approaches to quantum computation, error-correction schemes assume the ability to form two-dimensional qubit arrays with nearest-neighbor couplings and parallel operations at multiple qubit sites. While semiconductor spin qubits exhibit long coherence times relative to their operation speed and single-qubit fidelities above error correction thresholds, multiqubit operations in two-dimensional arrays have been limited by fabrication, operation, and readout challenges. We present a two-by-two array of four singlet-triplet qubits in gallium arsenide and show simultaneous coherent operations and four-qubit measurements via exchange oscillations and frequency-multiplexed single-shot measurements. A larger multielectron quantum dot is fabricated in the center of the array as a tunable interqubit link, which we utilize to demonstrate coherent spin exchange with selected qubits. Our techniques are extensible to other materials, indicating a path towards quantum processors with gate-controlled spin qubits.

연구 동기 및 목표

• 스핀-트리플렛 큐비트로 구성된 2차원 배열에서 동시에 응집성 작동과 읽기를 가능하게 하기 위해.
• 스핀 큐비트의 확장성 문제, 즉 교차 간섭, 게이트 팔로우아웃, 다중 큐비트 측정 문제를 해결하기 위해.
• 중앙부에 있는 다전자 양자도트를 조절 가능한 공명 스핀-교환 커플러로 활용하여 큐비트 간의 응집성 스핀-교환을 실현하기 위해.
• 확장 가능한 제조 및 제어 기술을 통해 게이트 제어 스핀 큐비트의 확장 가능성 검증하기 위해.

제안 방법

• 스핀-트리플렛 큐비트를 인코딩한 2×2 배열의 4개 GaAs 더블 큐비트 도트(DQDs)를 제작하였으며, 각각 국소 전하 센서를 통해 단일 스타일 읽기를 수행한다.
• 주파수 다중 사용 반사측정 방식을 사용하여, 서로 다른 공진 주파수를 가진 4개의 인덕터를 통해 동시에 4개 큐비트의 측정을 수행한다.
• 8개의 게이트 전극에 동기화된 전압 펄스를 인가하여 큐비트를 초기화하고 응집성 교환 회전(오버하우저 또는 교환 진동)을 유도한다.
• 누적 게이트를 통해 중심부 다전자 도트(MED)를 형성하고, 선택된 큐비트 간의 응집성 스핀-교환을 매개하기 위한 조절 가능한 커플러로 활용한다.
• 시간 영역 데이터에 대해 지수함수 및 감쇠된 사인파 곡선 피팅을 통해 위상 분산 시간 T*2와 교환 진동의 명료도를 추출한다.
• 누출 스펙트로스코피와 외부 자기장 스윕을 통해 MED 내 비영제 스핀 존재 여부를 확인하고, 교환 커플링 거동을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 GaAs 배열 내에서 4개의 스피너-트리플렛 큐비트에서 동시에 응집성 작동이 가능할 수 있는가?
• RQ2 주파수 다중 사용 단일 스타일 측정이 고정밀도로 동시에 4개 큐비트를 구분할 수 있는가?
• RQ3 중앙부 다전자 도트가 배열 내 개별 큐비트와 응집성 스핀-교환을 가능하게 하는가?
• RQ4 위상 분산 및 교환 진동의 품질 인자는 디튜닝 및 자기장과 같은 실험적 매개변수에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 교환 전환 속도 및 명료도 측정을 통해 교차 간섭과 응집성 한계를 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 4개 큐비트에서 동시에 교환 진동이 관측되었으며, 품질 인자는 3.4에서 5.1 사이였다.
• 비균일한 위상 분산 시간(T*2)은 모든 큐비트에서 약 20 ns로 측정되었으며, 각각 Q1: 20.3 ns, Q2: 22.1 ns, Q3: 23.0 ns, Q4: 22.3 ns였다.
• 큐비트와 중심부 다전자 도트 간의 응집성 스핀-교환을 실현하였으며, MED의 연속된 3개의 전하 상태에서 진동이 관측되었다.
• 누출 스펙트로스코피를 통해 U자형의 특징이 확인되었으며, 이는 MED 내 비영제 스핀 존재를 의미하며, 기저 상태가 S=1/2과 S=1 사이를 번갈아가며 존재함을 시사한다.
• 교환 커플링 강도는 평면 내 및 평면 외 자기장에 대해 약한 의존성을 보였으며, 현재 구현에서 궤도 효과가 최소화됨을 시사한다.
• 교환 전환 속도 측정을 통해 큐비트 간의 교차 간섭이 감지되었으며, 미세하지만 측정 가능한 영향이 관측되었다.