[论文解读] Coherent electron transport in silicon quantum dots

Xinyu Zhao, Xuedong Hu|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用 11

一句话总结

本文研究了硅双量子点中的相干电子输运，重点关注由谷-轨道耦合、自旋-谷混合以及兰道-宗内跃迁引起的自旋和相位误差。提出了一种利用多个反交叉点和受控扫速的脉冲序列，以抑制自旋翻转误差并恢复相干性，在保护条件下实现高达85%的剩余相干性，并在最优参数范围内实现近乎完全的恢复。

ABSTRACT

With silicon being the go-to material for spin qubits, and motivated by the demand of a scalable quantum computer architecture for fast and reliable quantum information transfer on-chip, we study coherent electron transport in a silicon double quantum dot. We first examine the valley-orbital dynamics in a silicon double dot, and discuss how to properly measure the tunnel couplings as well as the valley phase difference between two quantum dots. We then focus on possible phase and spin flip errors during spin transport across a silicon double dot. In particular, we clarify correction on the effective $g$-factor for the electron spin from the double dot confinement potential, and quantify the resulting phase error. We then study spin fidelity loss due to spin-valley mixing, which is a unique feature of silicon quantum dots. We show that a small phase correction between valleys can cause a significant coherence loss. We also investigate spin flip errors caused by either an external inhomogeneous magnetic field or the intrinsic spin-orbit coupling. We show that the presence of valleys makes it possible to have much broader (in terms of interdot detuning) level anti-crossings compared to typical anti-crossings in, for example, a GaAs double dot, and such broad anti-crossings lead to amplification of spin flip errors. Lastly, we design a pulse sequence to suppress various possible spin flip errors by taking advantage of the multiple level anti-crossings in a silicon double dot and employing Landau-Zener transitions.

研究动机与目标

• 理解并减轻硅双量子点中相干电子输运的相位和自旋翻转误差。
• 阐明谷-轨道耦合以及隧道耦合和交换相互作用中相位差的作用。
• 量化在多个反交叉点存在下，由于自旋-谷混合和非绝热跃迁导致的相干性损失。
• 设计一种基于兰道-宗内跃迁和电荷探测的鲁棒脉冲序列，以抑制误差并恢复初始自旋态。

提出的方法

• 使用有效质量理论和自旋-轨道耦合，对硅双量子点中的谷-轨道态能级谱进行建模。
• 利用含谷间隧穿的两能级模型，分析隧穿耦合和谷相位差。
• 通过含 $ H(t) $ 的时间依赖薛定谔方程模拟输运过程中的非绝热跃迁，追踪密度矩阵演化。
• 实施三步恢复协议：快速扫过反交叉点A，绝热演化通过B，以及电荷测量以投影至右量子点。
• 利用兰道-宗内-施特克尔堡干涉控制跃迁概率，抑制不必要的自旋翻转。
• 优化扫速 $ v_{\text{LZ1}} $ 和 $ v_{\text{LZ2}} $，以最大化剩余相干性并实现态恢复。

实验结果

研究问题

• RQ1 谷-轨道耦合如何影响硅双量子点中隧穿耦合和相位相干性？
• RQ2 自旋-谷混合对电子输运过程中自旋弛豫和相干性有何影响？
• RQ3 由于谷自由度导致的宽反交叉与砷化镓基系统相比，为何会放大自旋翻转误差？
• RQ4 是否可利用硅双量子点中的多个反交叉点，通过受控的兰道-宗内跃迁来抑制自旋翻转误差？
• RQ5 何种脉冲序列可实现非绝热跃迁后自旋相干性的有效恢复？

主要发现

• 输运过程中的非绝热跃迁导致无保护条件下的剩余相干性为85%，凸显了误差抑制的必要性。
• 采用两次兰道-宗内扫速和电荷测量的脉冲序列，在最优参数区域可实现接近100%保真度的初始自旋态恢复。
• 谷的存在导致反交叉比在砷化镓中更宽，从而因增强的非绝热跃迁而增加自旋翻转误差风险。
• 微小的谷相位校正即可引起显著的相干性损失，强调了精确相位控制的必要性。
• 恢复操作期间的弛豫不影响最终态形式，因为电荷测量后仅保留 $|R\rangle$ 分量。
• 存在一个广泛的扫速范围，可实现初始相干性的完全恢复，表明所提方案具有鲁棒性。