[论文解读] Coherent spin-qubit photon coupling

Andreas Landig, Jonne Koski+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2017

Quantum and electron transport phenomena被引用 66

一句话总结

本论文展示 NbTiN 高阻抗谐振腔中的单个微波光子与 GaAs 三电子自旋量子比特之间的强耦合，观测到真空 Rabi 模态分裂，g/2π ≈ 31.4 MHz 且 γ2/2π ≈ 19.6 MHz。

ABSTRACT

Electron spins hold great promise for quantum computation due to their long coherence times. An approach to realize interactions between distant spin-qubits is to use photons as carriers of quantum information. We demonstrate strong coupling between single microwave photons in a NbTiN high impedance cavity and a three-electron spin-qubit in a GaAs triple quantum dot. We resolve the vacuum Rabi mode splitting with a coupling strength of $g/2π\simeq31$ MHz and a qubit decoherence of $γ_2/2π\simeq 20$ MHz. We can tune the decoherence electrostatically and obtain a minimal $γ_2/2π\simeq 10$ MHz for $g/2π\simeq 23$ MHz. The dependence of the qubit-photon coupling strength on the tunable electric dipole moment of the qubit is measured directly using the ac Stark effect. Our demonstration of strong spin-photon interaction is an important step towards coherent long-distance coupling of spin-qubits.

研究动机与目标

• 通过光子激励长距离量子信息传输，将电子自旋量子比特与长相干时间联系起来。
• 在电路量子电动力学架构中实现自旋量子比特与单个微波光子之间的强相干耦合。
• 表征静电调谐如何影响量子比特-光子耦合及量子比特去相干。
• 证明观测到的耦合满足强耦合准则，并绘制量子比特能量景观以实现最优相互作用。

提出的方法

• 利用 NbTiN 高阻抗谐振腔通过较大阻抗 Z_r ~ 1.3 kΩ 来增强自旋-光子耦合。
• 在 GaAs 三量子点中实现可调 Detuning Δ 和不对称性 ε 的三电子自旋量子比特以形成量子比特态。
• 将左量子点的可控栅极门耦合到谐振腔以实现电偶极耦合。
• 通过将自旋量子比特调谐到与谐振腔共振，观察真空 Rabi 模态分裂，并用输入输出理论拟合以提取 g 和 γ2。
• 通过在色散区进行 ac Stark 位移测量和谐振腔频率偏移来标定 g。
• 探索双甜点 (DSS)，其中量子比特能量对 ε 和 Δ 波动的敏感性较低，并绘制能量等高线。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 GaAs 三量子点中的自旋量子比特是否能够在电路 QED 体系中实现与单个微波光子之间的强相干耦合？
• RQ2 Detuning Δ 和电荷混合（ε、Δ）如何影响量子比特-光子耦合强度 g 与量子比特去相干 γ2？
• RQ3 ac Stark 位移测量是否可在该系统中提供对 g 的直接、无需标定的控制手柄？
• RQ4 观测到的自-spin量子比特–光子系统在包括双甜点的多种工作点上是否满足强耦合的标准？
• RQ5 这些结果对量子信息处理中的可扩展、长距离自旋量子比特互连有何影响？

主要发现

• 当自旋量子比特与谐振腔共振时观测到真空 Rabi 模态分裂，得到 g/2π = (31.4 ± 0.3) MHz 和 γ2/2π = (19.6 ± 0.5) MHz。
• 强耦合区间由 2g > κ/2 + γ2 证明，在低光子占用 (<1) 时 κ/2π = 47.1 MHz。
• 去相干 γ2 可以通过静电方式调谐；当 g/2π ≈ 23 MHz 时，最小 γ2/2π ≈ 10 MHz，表明在更像自旋的 (1,1,1) 状态下相干性改善。
• 耦合强度 g 随 Δ 增大而增加，这是由于电荷态混合度增大，如 ac Stark 位移标定所示。
• ac Stark 位移使直接获取 g 成为可能，并确认单光子情形（在 Rabi 分裂测量时平均光子数约为 0.3）。
• 展示了一种可扩展的自旋-光子耦合平台，材料中不依赖铁磁材料或强自旋轨道耦合，具有向低同核自旋宿主转移的潜力。