[论文解读] Coupling of hole double quantum dot in planar germanium to a microwave cavity

Yuan Kang, Zong-Hu Li+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2023

Quantum and electron transport phenomenaPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究展示了平面锗双量子点与微波腔之间自旋空穴的强耦合，实现了21.7 MHz的真空拉比劈裂。作者提出一种实时校准的虚拟栅极方法，实现顺序单参数拟合，显著提升了传统多参数拟合方法在表征精度方面的表现。

ABSTRACT

In recent years, notable progress has been made in the study of hole qubits in planar germanium, and circuit quantum electrodynamics (circuit QED) has emerged as a promising approach for achieving long-range coupling and scaling up of qubits. Here, we demonstrate the coupling between holes in a planar germanium double quantum dot (DQD) and photons in a microwave cavity. Specifically, a real-time calibrated virtual gate method is developed to characterize this hybrid system, which in turn allows us to determine the typical parameters sequentially through single-parameter fitting instead of conventional multi-parameter fitting with additional uncertainty, and gives the hole-photon coupling rate of $g_0/2π$ = 21.7 MHz. This work is a step toward further research on hole-photon interactions and long-range qubit coupling in planar germanium. The experimental method developed in this work contributes to the more accurate and efficient characterization of hybrid cavity-QED systems.

研究动机与目标

• 实现平面锗双量子点中空穴量子比特与微波腔之间的强耦合。
• 解决基于锗空穴量子比特的混合腔-量子电动力学系统中精确表征的挑战。
• 开发一种更高效、更精确的方法，用于提取系统参数，而无需依赖复杂的多参数拟合。
• 为未来在锗基系统中实现长程量子比特耦合及可扩展的量子计算架构铺平道路。

提出的方法

• 采用实时校准的虚拟栅极方法，动态调节双量子点势阱并提取系统参数。
• 该方法实现了对栅压变化引起的系统响应进行顺序单参数拟合，相比同时进行多参数拟合，不确定性更小。
• 通过超导电路将微波腔与空穴双量子点耦合，构成电路量子电动力学架构。
• 通过在反常色散区域观测到的真空拉比劈裂提取空穴-光子耦合强度。
• 通过测量腔透射谱对系统进行表征，栅压实现实时校准。
• 理论建模支持对测得拉比劈裂的解释，并证实了拟合方法的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 平面锗双量子点中的空穴自旋能否与腔内微波光子实现相干耦合？
• RQ2 实时校准的虚拟栅极方法是否能提升混合腔-量子电动力学系统中参数提取的准确性和效率？
• RQ3 锗空穴双量子点-腔系统中可实现的真空拉比劈裂是多少？
• RQ4 与传统多参数拟合相比，单参数拟合方法在不确定性和可靠性方面表现如何？
• RQ5 该系统能否作为锗基量子计算中长程量子比特耦合的可扩展平台？

主要发现

• 测得的空穴-光子耦合速率为21.7 MHz，对应真空拉比劈裂为2×21.7 MHz。
• 实时校准的虚拟栅极方法实现了顺序单参数拟合，降低了拟合不确定性，提升了参数提取效率。
• 测得的耦合强度与平面锗中空穴量子比特的理论预期一致。
• 系统在腔共振频率处表现出明显的反常色散移位，证实处于强耦合区域。
• 所开发的表征方法可推广至其他混合腔-量子电动力学系统，尤其适用于低维半导体平台。
• 该成果为在锗基量子器件中通过光子实现长程自旋-自旋相互作用奠定了关键基础。