[논문 리뷰] Using Andreev bound states and spin to remove domain walls in a Kitaev chain

Wietze D. Huisman, Sebastiaan L. D. ten Haaf외 7명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 19.

Topological Materials and Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

논문은 양자점의 스핀 구성과 Andreev 바운드 상태의 전하가 외부 플럭스 없이도 세 사이트 구성의 키타에프 체인에서 도메인 벽을 제거할 수 있음을 시연하지만, 유도된 위상 변화는 정확한 π에서 벗어나게 될 수 있으며 ABS 에너지에 따라 매끄럽게 변화한다.

ABSTRACT

Quantum dot-superconductor hybrids have been established as a suitable platform for realizing Kitaev chains hosting Majorana bound states. Implementing these structures in a qubit architecture is expected to result in coherence times that scale exponentially with the lengths of the chains. To scale to longer systems, the phase differences between all superconducting segments in the chain need to be controlled. While this control has been demonstrated by using an external magnetic flux, ideally it can be achieved with control over intrinsic system parameters. In this work, we investigate whether the relevant phase differences can be tuned through the spin degree of freedom in each QD, or the chemical potential of the discrete bound states in the hybrid sections. We confirm that both these tuning knobs allow for controlling the phase difference in the couplings between neighbouring QDs, bypassing the requirement to tune an external flux. However, we find that the amplitude of the phase shifts can deviate from a discrete $π$-shift. We introduce a spatial variation in the spin-orbit field as a possible mechanism to explain the observed behaviour and comment on the consequences for experimentally creating long Kitaev chains.

연구 동기 및 목표

• π-위상 차이로 인해 발생하는 도메인 벽을 피함으로써 Kitaev 체인을 더 긴 배열으로 확장하려는 동기를 제시한다.
• 스핀 구성과 ABS 에너지가 인접 간의 위상을 조정해 균일한 결합을 달성할 수 있는지 조사한다.
• 세 사이트 InSbAs QD–초전도체 하이브리드 체인에서 스핀과 ABS 조정이 여기에의 들뜸 간격에 어떻게 영향을 미치는지 실험적으로 시연한다.
• 이상적인 π-위상 차이로부터의 편차를 분석하고 매끄러운 위상 진화를 위한 메커니즘을 제안한다.
• 마요르나 기반 큐비트를 위한 플럭스 없는 확장 가능한 Kitaev 체인 설계에 대한 시사점을 평가한다.

제안 방법

• 초전도 위상이 짝짓기 항에 할당되고 스핀 구성 및 ABS 에너지로 조정될 수 있는 일반 해밀토니안을 사용하여 Kitaev 체인을 모델링한다.
• 스핀 편향(spin-polarized) 양자점을 Andreev 바운드 상태를 통해 연결하여 이웃 양자점 사이의 t 및 Delta 결합을 구현한다.
• 유입 가능한 플럭스 조정 가능한 초전도 루프를 사용해 이웃 결합 간의 위상을 제어하고 중앙 도트의 들뜸 간격을 측정한다.
• ABS 에너지(및 스핀 구성)를 조정해 |t| = |Delta|가 되는 스위트 스팟을 식별하고 대응하는 위상 변화를 관찰한다.
• 무선주파수 반사 측정(radio-frequency reflectometry)을 이용해 국부 밀도 상태 및 체인 전체의 차등전도도를 신속하게 측정한다.

Figure 1: Proposed mechanisms for controlling phase in the Kitaev chain and device layout of a three-site chain. a) Schematic of ECT and CAR sub-gap processes in a two-site Kitaev chain setup, controlled by an ABS with energy $E_{\mathrm{ABS}}$ . b) ECT ( $t$ ) and CAR ( $\Delta$ ) amplitudes as a f

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외측 양자점의 스핀 편향이 커플링 간 π-위상 차이를 유도하여 도메인 벽을 제거할 수 있는가?
• RQ2 ABS 전하를 조정해 Kitaev 체인에서 양자점 간 위상 차이를 플럭스 없이 제어하는 방법을 제공할 수 있는가?
• RQ3 관측된 위상 변화가 0이나 π에 엄밀히 고정되는가, 아니면 ABS 에너지나 다른 미시적 세부에 따라 매끄럽게 변화할 수 있는가?
• RQ4 π이 아닌 매끄럽게 변화하는 위상 변화의 원인을 설명하는 미시적 기작은 무엇이며 이것이 더 긴 체인으로의 확장에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 외측 양자점의 스핀 구성을 바꾸면 도입되는 위상 변화가 도메인 벽을 제거하고 중앙 도트의 들뜸 간격을 다시 열 수 있다.
• 하이브리드 구간의 ABS 에너지를 바꾸면 비슷한 위상 변화가 생겨 두 번째 플럭스 없는 제어 손잡이를 제공한다.
• 위상 변화는 ABS 전하의 함수로 매끄럽게 진화해 일부 영역에서 스위트 스팟 간에 비 π 차이를 낳는다.
• 스핀-궤도장(spin-orbit)장의 공간적 변화와 관련된 제안된 기작이 매끄러운 위상 진화와 이산 0/π 변화에서의 편차를 설명할 수 있다.
• 정확한 π-위상 차이에서의 편차는 중앙 간격을 축소시킬 수 있지만 위상 차이가 0이 아니면 간 Gap 소실을 피하고 flux-free 확장을 지지한다.
• 결과는 flux-free 위상 제어를 통해 더 긴 Kitaev 체인을 설계할 때의 실용적 고려사항을 강조한다.

Figure 2: Spin-induced phase shifts. a) Bias spectroscopy measurement for the middle quantum dot as a function of the out-of-plane magnetic field $B_{\mathrm{z}}$ for an $\uparrow\uparrow\uparrow$ spin configuration. b) A higher resolution $G_{\mathrm{MM}}$ linetrace along $V_{\mathrm{M}}$ = 0, expr