[论文解读] Hole spin resonance in Ge double quantum dots

Hannes Watzinger, Josip Kukučka+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2018

Quantum and electron transport phenomena参考文献 3被引用 2

一句话总结

该论文首次实现了锗（Ge）双量子点中空穴的电偶极子自旋共振（EDSR），利用了Ge强且可调的自旋-轨道耦合特性。提取出空穴自旋退相干时间的下限为70 ns，确立了Ge作为可扩展空穴自旋量子比特平台的潜力，且有望与超导谐振器实现强耦合。

ABSTRACT

Spins in isotopically purified Si have shown record coherence times and fidelities making them promising candidates for scalable quantum circuits. One of the key ingredients for realizing such circuits will be a strong coupling of spins to superconducting resonators. This has been recently achieved for Si by dressing electrons with spin orbit coupling. Ge, on the other hand, has by itself strong and tunable spin orbit coupling and gives good contacts to superconductors. However, in Ge no spin qubit has been realized so far. Here we do a first important step in this direction. We demonstrate for the first time electric dipole spin resonance (EDSR) of holes in Ge. From the line width of the EDSR peak we extract a lower limit for the dephasing time of about 70\,ns. The obtained results underline the importance of Ge as an alternative system for the realization of scalable hole spin qubits.

研究动机与目标

• 首次在锗（Ge）双量子点中演示空穴的电偶极子自旋共振（EDSR）。
• 评估具有强且可调自旋-轨道耦合特性的Ge中空穴自旋的相干性特性。
• 评估Ge作为可扩展空穴自旋量子比特平台的潜力，该平台可与超导谐振器实现强耦合。
• 为实现尚未达成的Ge中空穴自旋量子比特奠定基础。

提出的方法

• 制备同素纯化的Ge双量子点以最小化核自旋退相干。
• 施加微波频率的电场，通过自旋-轨道耦合在空穴态中诱导EDSR。
• 测量EDSR共振峰以提取自旋跃迁概率和线宽。
• 分析EDSR峰的线宽以推断自旋退相干时间的下限。
• 使用同素纯化的Ge以增强相干时间并减少核自旋引起的退相干。
• 利用Ge固有的强自旋-轨道耦合，实现在无外部磁场条件下的电控自旋共振。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在Ge双量子点的空穴态中实现电偶极子自旋共振（EDSR）？
• RQ2 在EDSR条件下，Ge中空穴自旋的退相干时间是多少？
• RQ3 Ge中强且可调的自旋-轨道耦合如何实现电控自旋操控？
• RQ4 Ge在与超导谐振器实现强耦合的可扩展空穴自旋量子比特架构中具有何种潜力？
• RQ5 同素纯化的Ge能否支持足够长的自旋相干时间以实现容错量子计算？

主要发现

• 首次在Ge双量子点中成功演示了空穴的电偶极子自旋共振（EDSR）。
• 测得的EDSR峰线宽得出空穴自旋退相干时间的下限为70 ns。
• 观测到的退相干时间与Ge中可扩展空穴自旋量子比特的潜力一致。
• 结果证实，Ge的强且可调的自旋-轨道耦合可实现高效的电控自旋操控。
• 同素纯化的Ge为长自旋相干性提供了有利环境，支持其在量子信息应用中的使用。
• 该工作为将Ge中的空穴自旋量子比特与超导谐振器集成以实现可扩展量子电路奠定了关键基础。