[논문 리뷰] Ultrafast Operations of a Hole Spin Qubit in Ge Quantum Dot

Ke Wang, Gang Xu외 13명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 22.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 강한 스핀-오비탈 결합을 이용해 게르마늄 큐비트에서 구멍 스핀 큐비트를 초고속, 전기적 제어하는 것을 보여주며, 100 mT 자기장에서 540 MHz를 초과하는 라비 주파수를 달 đạt했다. 스핀-오비탈 매개 공진과 단계 조절 가능한 마이크로파 변조를 활용함으로써 저자들은 고정도의 이축 제어와 품질 요소 90을 실현하였으며, 확장 가능한 양자 컴퓨팅에 적합한 빠르고 공진성 있는 스핀 조작을 가능하게 하였다.

ABSTRACT

Strong spin-orbit coupling and relatively weak hyperfine interaction make quantum dots in germanium a promising candidate for rapid, all-electrically quantum control of spin qubit. Here, we report two different modes of quantum operation in a single spin-qubit based on holes in germanium hut wire. By selecting a proper branch of spin resonances mediated by spin-orbit interaction, a Rabi oscillation exceeding 540 MHz is observed at a small magnetic field of 100 mT. Furthermore, we perform two-axis control of the spin qubit by applying a phase-tunable microwave modulation. A dephasing time is measured by Ramsey spectroscopy, and further extended by dynamic decoupling. The qubit has a rather high quality-factor of 90, for nanowire-based spin qubits.Based on numerical calculation of the Rabi frequency of these two modes, we confirm that the ultrafast control speed is caused by the large spin-orbit coupling strength of holes in germanium.Our results demonstrate the potential to further control the spin qubit with a faster frequency to meet the requirement of Divincenzo's criteria for quantum gates, when the spin-orbit coupling is properly enhanced while maintaining good coherence in this system.

연구 동기 및 목표

• 게르마늄 큐비트에서 구멍 스핀 큐비트의 초고속, 전기적 제어를 달성하기 위해.
• 강한 스핀-오비탈 결합이 고속 양자 조작을 가능하게 하는 역할를 탐색하기 위해.
• 일반적인 양자 게이트 조작을 위한 단일 스핀 큐비트에서 단계 조절 가능한 마이크로파 변조를 통한 이축 제어를 구현하기 위해.
• 동적 디커플링을 이용해 공명 시간을 연장하고 큐비트의 품질 요소를 측정하기 위해.
• 게르마늄 구멍 스핀 큐비트가 확장 가능한 양자 계산을 위한 디비노체 기준을 충족할 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 강한 스핀-오비탈 결합을 활용하기 위해 게르마늄 투문형 큐비트에서 구멍 스핀을 이용하기 위해.
• 스핀 큐비트의 이축 제어를 위해 조절 가능한 단계를 가진 마이크로파 펄스를 적용하기 위해.
• 제어 속도를 측정하기 위해 100 mT 자기장에서 라비 진동을 측정하기 위해.
• 공명성 평가를 위해 탈조화 시간을 측정하기 위해 라마지 스펙트로스코피를 적용하기 위해.
• 탈조화 시간을 연장하기 위해 동적 디커플링 시퀀스를 사용하기 위해.
• 라비 주파수의 수치 모델링을 통해 스핀-오비탈 결합이 초고속 조작을 가능하게 하는 역할를 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 전기적 제어를 통해 게르마늄 구멍 스핀 큐비트에서 초고속 라비 진동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 게르마늄 구멍에서의 스핀-오비탈 결합은 양자 조작의 속도와 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 단일 스핀 큐비트에서 단계 조절 가능한 마이크로파 변조를 통해 이축 제어를 어느 정도 실현할 수 있는가?
• RQ4 동적 디커플링 조건 하에서 구멍 스핀 큐비트의 공명 시간과 품질 요소는 얼마인가?
• RQ5 이 시스템은 고장 내성 양자 계산을 위한 디비노체 기준을 충족시킬 수 있는가?

주요 결과

• 100 mT 자기장에서 540 MHz를 초과하는 라비 주파수를 달성하여 초고속 단일 큐비트 조작을 입증하였다.
• 큐비트는 90의 높은 품질 요소를 나타내어 장시간 공명성과 고정도 조작의 잠재력을 보여주었다.
• 라마지 스펙트로스코피를 통해 탈조화 시간을 측정하였고, 동적 디커플링 기법을 통해 추가로 연장하였다.
• 단계 조절 가능한 마이크로파 변조를 통해 스핀 큐비트의 이축 제어를 성공적으로 실현하였다.
• 수치 계산을 통해 초고속 제어 속도가 주로 게르마늄 구멍에서 큰 스핀-오비탈 결합 강도에 의해 유도됨을 확인하였다.
• 결과적으로 스핀-오비탈 결합 강도를 추가로 향상시킬 경우 더 빠른 게이트 조작이 가능할 것이며, 양호한 공명성을 유지하면서도 확장 가능한 양자 컴퓨팅에 필요한 핵심 조건을 충족시킬 수 있음을 시사한다.