[論文レビュー] Sweet-spot operation of a germanium hole spin qubit with highly anisotropic noise sensitivity

Nico W. Hendrickx, Leonardo Massai+6 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2023

Quantum and electron transport phenomena参考文献 50被引用数 9

ひとこと要約

本研究は Ge/SiGe 量子井戸における高い非等方性の重ホール g-テンソルを特徴づけ、電場駆動による g-テンソル変調を量子ビット駆動とデコヒューションへ結びつけ、Ising様の超長距離結合を示し、ハイパーファインのスイートスポットを同定して高忠実度・低場動作を可能にする。

ABSTRACT

Spin qubits defined by valence band hole states comprise an attractive candidate for quantum information processing due to their inherent coupling to electric fields enabling fast and scalable qubit control. In particular, heavy holes in germanium have shown great promise, with recent demonstrations of fast and high-fidelity qubit operations. However, the mechanisms and anisotropies that underlie qubit driving and decoherence are still mostly unclear. Here, we report on the highly anisotropic heavy-hole $g$-tensor and its dependence on electric fields, allowing us to relate both qubit driving and decoherence to an electric modulation of the $g$-tensor. We also confirm the predicted Ising-type hyperfine interaction but show that qubit coherence is ultimately limited by $1/f$ charge noise. Finally, we operate the qubit at low magnetic field and measure a dephasing time of $T_2^*=9.2$ $μ$s, while maintaining a single-qubit gate fidelity of 99.94 %, that remains well above 99 % at an operation temperature T>1 K. This understanding of qubit driving and decoherence mechanisms are key for the design and operation of scalable and highly coherent hole qubit arrays.

研究の動機と目的

• Ge/SiGe 量子井戸の重ホールスピンが電場と磁場の向きにどう応答するかを理解する。
• 重ホール g-テンソルの非対称性と電場感度を特徴づけ、駆動とデコヒューション機構を結びつける。
• デコヒューションを最小化しつつ高速な量子ビット制御を維持できるスイートスポットを同定する。
• 低磁場・高温度での高忠実度単一量子ビット操作を実証する。
• Ge-73核との超高結合を評価し、コヒーレンスへの各異方性の影響を検討する。

提案手法

• 異なる B 配向下で Larmor 周波数から g* を抽出して2つの Ge ホール量子ビットの g-テンソルを測定する。
• ダイアグナルテンソルとして回転させた g-テンソルをモデル化し、実験データにエーユル角を適合させる。
• HahnエコーとCPMG系列を適用して電荷ノイズと核スピンデコヒューションの寄与を分離する。
• ゲート電圧を変調して g-テンソル要素の変化（∂g/∂Vi）をマッピングし、fQとfRabi への関連を明らかにする。
• g-テンソル介在共振（g-Tensor-Mediated Resonance, g-TMR）理論を用いて測定された ∂g/∂Vi からラビ周波数を予測し、実験と比較する。
• Ge-73 とのハイパーフイン結合を解析してイジング様の相互作用とそれがコヒーレンスに及ぼす影響を特定する。

Figure 1: A germanium hole two-qubit system. a , Schematic drawing of the three quantum dot device. We define qubits Q1 and Q2 underneath plunger gates P1 and P2 respectively, that can be read out using the nearby charge sensor (CS) defined by gates SP, SB1, and SB2. The coupling between the qubits

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ge/SiGe 量子井戸における重ホール g-テンソルの配向および磁場強度依存性はどうなるか。
• RQ2 電場ゆらぎ（電荷ノイズ）は g-テンソル変調へどう結合してホールスピンを駆動またはデコヒューションするか。
• RQ3 Ge-73 とのハイパーフインはIsing様か、またこの異方性は量子ビットのコヒーレンスにどう影響するか。
• RQ4 駆動を最適化しつつデコヒューションを最小化するスイートスポットは、特に低磁場で見つけられるか。
• RQ5 特定のスイートスポットと低磁場での運用の実践的なコヒーレンスとゲート忠実度の利点は何か。

主な発見

• 両方の量子ビットにおける重ホール g-テンソルは高度に異方的で、g z′ ≈ 30、g y′ ≈ 180、g x′、主軸は量子ビット間でほぼ一致している（差 ≈ <10%）。
• 量子ビットの駆動とデコヒューションは、g-テンソルの電場誘起歪み（g-テンソル変調）によって支配される。
• Ge-73 とのハイパーフイン結合はIsing様で、平面内の磁場では大幅に抑制される一方、全体的なコヒーレンスは1/f の電荷ノイズにより制限される。
• ハイパーフィンのスイート平面が存在し、二つの量子ビットの量子化軸が整列して核ノイズ駆動のデフェーズを抑制し、長いコヒーレンス時間を実現する；低場では T2* ≈ 17.6 μs で T2DD > 1 ms、ゲート忠実度も高い。
• 単一量子ビットゲートの忠実度は B = 12 mT で 99.94% に達し、1.1 K まで高温下でも 99% を超え、高温での堅牢な動作を示す。

Figure 2: Measurement of the hole $\bm{g}$ -tensor. a - c , e - g , Cross section of the $g$ -tensor of Q1 ( a - c ) and Q2 ( e - g ) in the $xy$ -plane ( a , d ), $xz$ -plane ( b , e ), and the $yz$ -plane ( c , f ) of the magnet frame. Dots indicate measurements of $g^{*}$ and the solid line corre