[论文解读] Fully tunable hyperfine interactions of hole spin qubits in Si and Ge quantum dots

Bosco, Stefano, Loss, Daniel|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2021

Quantum and electron transport phenomena被引用 61

一句话总结

本文展示了通过器件设计和外加电场，可完全调控硅和锗量子点中空穴自旋量子比特的超精细相互作用，实现超精细噪声降低一个数量级。通过利用拉长量子点中的强自旋-轨道耦合，作者识别出可调的“最佳工作点”，在这些点上，超精细噪声和电荷噪声同时被最小化，显著提升了量子比特相干性和门保真度，且无需同位素纯化。

ABSTRACT

Hole spin qubits are frontrunner platforms for scalable quantum computers, but state-of-the-art devices suffer from noise originating from the hyperfine interactions with nuclear defects. We show that these interactions have a highly tunable anisotropy that is controlled by device design and external electric fields. This tunability enables sweet spots where the hyperfine noise is suppressed by an order of magnitude and is comparable to isotopically purified materials. We identify surprisingly simple designs where the qubits are highly coherent and are largely unaffected by both charge and hyperfine noise. We find that the large spin-orbit interaction typical of elongated quantum dots not only speeds up qubit operations, but also dramatically renormalizes the hyperfine noise, altering qualitatively the dynamics of driven qubits and enhancing the fidelity of qubit gates. Our findings serve as guidelines to design high performance qubits for scaling up quantum computers.

研究动机与目标

• 解决空穴自旋量子比特中主要退相干源——硅和锗量子点中核缺陷的超精细相互作用。
• 研究这些超精细相互作用是否可通过外加电场和器件几何结构进行调控。
• 识别出超精细噪声和电荷噪声同时被最小化的最优工作点，以提升量子比特相干性。
• 探讨直接Rashba自旋-轨道耦合（DRSOI）与超精细相互作用之间的相互作用，及其对量子比特动力学和门保真度的影响。
• 为实际器件结构（如FinFET）中的可扩展、高性能空穴自旋量子比特提供设计指导。

提出的方法

• 使用包含约束势和垂直于长轴的外加电场Ey的Luttinger-Kohn哈密顿量建模空穴量子点系统。
• 数值求解薛定谔方程，以确定依赖于Ey的旋量波函数ψH,L(ρ)和自旋-轨道长度lSO。
• 利用分辨自旋的波函数和DRSOI引起的相位旋转，计算超精细耦合矩阵Γ(r)和g因子张量gij。
• 将超精细和Zeeman哈密顿量投影到自旋单重态基态，推导出Overhauser场h及其协方差矩阵Σ。
• 采用高斯核自旋噪声模型，计算量子比特退相干时间T0和跃迁概率P(t)，同时包含高斯和幂律衰减分量。
• 在ℏω ≫ √Σii的假设下，对时变场下的自旋动力学应用解析近似，包括拉比振荡和退相干。

实验结果

研究问题

• RQ1 在硅和锗量子点中，空穴自旋量子比特的超精细相互作用是否可通过外加电场和器件几何结构实现完全调控？
• RQ2 在何种条件下，空穴自旋量子比特中的超精细噪声和电荷噪声可同时被抑制？
• RQ3 强直接Rashba自旋-轨道相互作用（DRSOI）如何重定义超精细噪声并改变驱动实验中的量子比特动力学？
• RQ4 DRSOI对空穴自旋量子比特中电控单量子比特门的保真度有何影响？
• RQ5 超精细相互作用的可调性是否可实现无需同位素纯化的高相干性量子比特？

主要发现

• 在优化的器件设计中，超精细噪声降低了一个数量级，相干时间达到无需同位素富集的同位素纯化材料的水平。
• 在硅FinFET中，存在工作点使得超精细噪声和电荷噪声同时被抑制，显著增强了量子比特相干性。
• DRSOI引起的自旋-轨道长度lSO强烈重定义了超精细噪声，使衰减动力学从高斯型变为高斯与幂律分量的组合。
• 对于含有约10^4个原子的天然硅和锗量子点，特征退相干时间T0分别为~0.36 µs（硅）和~0.11 µs（锗），通过调控可显著延长。
• DRSOI与超精细相互作用的相互作用导致驱动量子比特动力学发生定性变化，提升了门保真度，实现了更快、更相干的操作。
• 解析框架即使在超精细展宽与拉比频率可比拟时，也能准确捕捉长时间自旋衰减，验证了在真实参数范围内使用近似模型的合理性。