[论文解读] Fast spin exchange between two distant quantum dots

Filip K. Malinowski, Frederico Martins+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2018

Quantum and electron transport phenomena参考文献 32被引用 17

一句话总结

该论文展示了通过包含50–100个电子的大型多电子量子点作为中介，实现两个远距离量子点之间快速、电压可控的自旋交换。通过调节栅极电压以控制电子隧穿和交换耦合，作者在微米量级距离上实现了吉赫兹量级的两量子比特相互作用速率，且相互作用符号可调、对电荷噪声具有鲁棒性，从而实现了可扩展的自旋量子比特架构。

ABSTRACT

The Heisenberg exchange interaction between neighboring quantum dots allows precise voltage control over spin dynamics, due to the ability to precisely control the overlap of orbital wavefunctions by gate electrodes. This allows the study of fundamental electronic phenomena and finds applications in quantum information processing. Although spin-based quantum circuits based on short-range exchange interactions are possible, the development of scalable, longer-range coupling schemes constitutes a critical challenge within the spin-qubit community. Approaches based on capacitative coupling and cavity-mediated interactions effectively couple spin qubits to the charge degree of freedom, making them susceptible to electrically-induced decoherence. The alternative is to extend the range of the Heisenberg exchange interaction by means of a quantum mediator. Here, we show that a multielectron quantum dot with 50-100 electrons serves as an excellent mediator, preserving speed and coherence of the resulting spin-spin coupling while providing several functionalities that are of practical importance. These include speed (mediated two-qubit rates up to several gigahertz), distance (of order of a micrometer), voltage control, possibility of sweet spot operation (reducing susceptibility to charge noise), and reversal of the interaction sign (useful for dynamical decoupling from noise).

研究动机与目标

• 解决可扩展自旋量子比特量子计算架构中长程自旋-自旋耦合的挑战。
• 克服电容耦合或腔体中介耦合的局限性，后者易受电荷噪声和退相干影响。
• 利用多电子中介体，开发一种远距离量子点之间鲁棒、电压可控且快速的自旋交换机制。
• 实现相互作用符号的动态调控，并在电荷噪声甜点处运行，以提高相干性。
• 在标准栅压定义的量子点器件架构中，实现实验上可行、高速的自旋交换。

提出的方法

• 在GaAs二维电子气中，通过静电栅电极定义五个量子点构成的线性阵列。
• 将中心的多电子量子点（50–100个电子）作为量子中介，实现两个外侧双量子点之间的自旋交换。
• 施加亚微秒量级的栅极电压脉冲，控制电子局域化，并通过中介量子点的虚隧穿诱导交换耦合。
• 实施一系列步骤：将双量子点初始化为单重态，将电子分离以创建参考自旋，施加脉冲以诱导交换耦合 $ J $，并通过自旋到电荷的转换测量自旋关联。
• 使用有限上升时间的栅压脉冲的唯象模型，模拟真实振荡模式并校正实验失真。
• 分析有效交换相互作用 $ J_{\text{eff}} \approx \frac{2t_1^2}{\Delta_S} - \frac{t_2^2}{\Delta_T} $，其中 $ t_1, t_2 $ 为隧穿矩阵元，$ \Delta_S, \Delta_T $ 分别为单重态和三重态的能量代价项。

实验结果

研究问题

• RQ1 大型多电子量子点能否在两个远距离量子点之间介导快速且相干的自旋交换？
• RQ2 交换耦合强度和符号如何依赖于栅压调节及中介量子点中的电子占据？
• RQ3 栅压脉冲的有限上升时间对观测到的自旋振荡模式在多大程度上造成失真？
• RQ4 该相互作用能否被调节为正（偏好单重态）或负（偏好三重态）？其对动态解耦有何影响？
• RQ5 该中介交换相互作用是否对电荷噪声具有鲁棒性？能否在电荷噪声甜点处运行？

主要发现

• 中介的两量子比特交换相互作用速率可达数吉赫兹，支持快速量子门操作。
• 自旋交换在约一微米的距离上实现，显著扩展了相干自旋耦合的范围。
• 通过调节栅压，有效交换相互作用 $ J_{\text{eff}} $ 可被调节为正或负，实现对噪声的动态解耦。
• 当系统接近 (1, 2N+1, 0)/(0, 2N+1, 1) 与 (0, 2N+2, 0) 之间的电荷转变时，$ J_{\text{eff}} $ 达到最大值，导致振荡数据中出现特征性的V形图案。
• 栅压脉冲的有限上升时间会扭曲振荡条纹，尤其在短相互作用时间（如2 ns）时更为明显，该效应可通过具有 $ \tau_0 = 0.8 $ ns 的唯象模型准确捕捉。
• 由于在电荷噪声甜点附近运行，系统对电荷噪声表现出鲁棒性，即使在较大的量子点间距下，相互作用仍保持相干。