[论文解读] Direct manipulation of a superconducting spin qubit strongly coupled to a transmon qubit

Marta Pita‐Vidal, Arno Bargerbos+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 7

一句话总结

该论文通过量子点约瑟夫森结中的电偶极子自旋共振，实现了对超导自旋量子比特（Andreev自旋量子比特）的直接、快速且相干的控制，实现了超过200 MHz的拉比频率。该量子比特与Transmon量子比特强耦合并直接耦合，实现了无需中间谐振器的相干量子信息交换，标志着向结合自旋与超导量子比特的混合量子架构迈出了关键一步。

ABSTRACT

Spin qubits in semiconductors are currently one of the most promising architectures for quantum computing. However, they face challenges in realizing multi-qubit interactions over extended distances. Superconducting spin qubits provide a promising alternative by encoding a qubit in the spin degree of freedom of an Andreev level. Such an Andreev spin qubit could leverage the advantages of circuit quantum electrodynamic, enabled by an intrinsic spin-supercurrent coupling. The first realization of an Andreev spin qubit encoded the qubit in the excited states of a semiconducting weak-link, leading to frequent decay out of the computational subspace. Additionally, rapid qubit manipulation was hindered by the need for indirect Raman transitions. Here, we exploit a different qubit subspace, using the spin-split doublet ground state of an electrostatically-defined quantum dot Josephson junction with large charging energy. Additionally, we use a magnetic field to enable direct spin manipulation over a frequency range of 10 GHz. Using an all-electric microwave drive we achieve Rabi frequencies exceeding 200 MHz. We furthermore embed the Andreev spin qubit in a superconducting transmon qubit, demonstrating strong coherent qubit-qubit coupling. These results are a crucial step towards a hybrid architecture that combines the beneficial aspects of both superconducting and semiconductor qubits.

研究动机与目标

• 开发一种具有直接电控能力的超导自旋量子比特，以克服先前实现中依赖虚态跃迁的间接拉曼跃迁的局限性。
• 利用量子点的电荷能稳定量子比特的计算子空间，减少从高能Andreev能级泄漏。
• 实现自旋量子比特与Transmon量子比特之间的强直接耦合，以支持可扩展的量子信息处理。
• 实现对量子比特跃迁频率的磁场调谐，范围超过10 GHz，从而提升控制与读出保真度。
• 建立一个混合平台，整合半导体自旋量子比特的可扩展性与超导Transmon的相干性及电路量子电动力学兼容性。

提出的方法

• 在具有大电荷能的约瑟夫森结中，通过静电定义的量子点实现Andreev自旋量子比特，稳定双态基态。
• 通过全电驱动的微波实现电偶极子自旋共振（EDSR），直接操控自旋，实现超过200 MHz的拉比频率。
• 通过调节磁场控制Zeeman分裂，实现对量子比特跃迁频率超过10 GHz的调谐，有助于抑制激发态的布居。
• 通过内在的自旋-超导电流耦合，实现自旋量子比特与超导Transmon量子比特的相干耦合，无需中间谐振器。
• 理论建模预测耦合强度满足 $ J \propto E_{\rm SO} \phi_{\rm zpf} \sin(\theta) $，表明耦合速率可达到数百MHz量级。
• 利用量子电路哈密顿量模拟提取实验参数，并验证所观测到的强耦合区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不依赖辅助态虚跃迁的前提下，实现对超导自旋量子比特的直接电控？
• RQ2 能否利用量子点的电荷能稳定Andreev自旋量子比特的计算子空间，以抑制泄漏？
• RQ3 能否通过内在的自旋-超导电流耦合，实现超导自旋量子比特与Transmon量子比特之间的强直接耦合？
• RQ4 通过磁场调节，量子比特跃迁频率的可调范围有多大？这对量子比特控制与读出有何影响？
• RQ5 自旋量子比特与Transmon量子比特构成的混合系统，能否实现可扩展的两量子比特操作，并为未来集成到更大规模量子电路提供可能？

主要发现

• 通过直接电偶极子自旋共振，Andreev自旋量子比特实现了超过200 MHz的拉比频率，支持快速单量子比特操作。
• 通过磁场控制，量子比特跃迁频率可调谐范围超过10 GHz，支持激发态布居的动态抑制。
• 该自旋量子比特的相干时间与InAs/InSb纳米线自旋量子比特相当，表明其显著的退相干来源于核自旋。
• 实验上证实了Andreev自旋量子比特与Transmon量子比特之间存在强相干耦合，耦合强度超过Transmon的退相干率（≈1.2 × 2π MHz）。
• 所观测到的耦合为内在且直接的，无需中间谐振器，首次在混合系统中实现了强自旋-超导体耦合。
• 理论建模证实，通过优化自旋-轨道耦合与磁场取向，可实现数百MHz量级的耦合速率。