[论文解读] Light-mass hole-spin qubits formed in a Ge quantum well

L. A. Terrazos, André Saraiva+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用 2

一句话总结

本文提出在锗量子阱中实现轻质量自旋-空穴量子比特，作为量子计算的有前途平台，利用强自旋-轨道耦合以及低有效质量（约0.05 m₀）实现快速、电控的量子比特操作。从头计算表明，轻-重空穴能带分裂大于100 meV，且天然丰度高的自旋-0同素异形体，可实现长相干时间并减少退相干。

ABSTRACT

We argue, supported by \emph{ab initio} calculations, that hole spins in a Si$_{x}$Ge$_{1-x}$/Ge/ Si$_{x}$Ge$_{1-x}$ quantum well possess highly desirable properties as qubits, including a large ($>$100~meV) intrinsic splitting between the light and heavy hole bands and a very light ($\sim$0.05$\, m_0$) effective mass along the well direction, and a high natural abundance of nuclear spin-0 isotopes. Compared to electrons in quantum dots, such hole qubits benefit from larger size, and do not suffer from the presence of nearby quantum levels (e.g., valley states) that can detract from the operation of silicon electron-spin qubits. The strong spin-orbit coupling in Ge quantum wells may be harnessed to implement electric dipole spin resonance.

研究动机与目标

• 探索锗量子阱中的空穴自旋作为量子信息处理中稳健量子比特的可行性。
• 解决硅中电子自旋量子比特的局限性，如谷态和核自旋引起的退相干。
• 利用锗量子阱独特的电子与自旋特性，提升量子比特的相干性与控制能力。
• 通过空穴体系中的强自旋-轨道耦合，实现电偶极自旋共振。

提出的方法

• 执行从头计算，以确定 SiₓGe₁₋ₓ/Ge/SiₓGe₁₋ₓ 量子阱中空穴态的能带结构与有效质量。
• 分析轻空穴与重空穴能带之间的分裂，以评估量子比特能级的隔离程度。
• 评估沿量子阱方向空穴的有效质量，以估算量子比特的相干性与门操作速度。
• 评估锗中核自旋-0同素异形体的天然丰度，以估算超精细退相干的抑制程度。
• 评估利用空穴体系中强自旋-轨道耦合实现电偶极自旋共振的潜力。
• 从退相干来源与控制机制方面，对比空穴自旋量子比特平台与硅量子点中的电子自旋量子比特。

实验结果

研究问题

• RQ1 锗量子阱中的空穴自旋是否能表现出足够大的能带分裂，以将量子比特态与其他能级有效分离？
• RQ2 沿量子阱方向空穴的有效质量是多少？其对量子比特相干性与门操作速度有何影响？
• RQ3 锗中核自旋-0同素异形体在多大程度上可减少空穴自旋量子比特的退相干？
• RQ4 锗中强自旋-轨道耦合是否可实现电偶极自旋共振，从而实现快速、全电控的量子比特操作？
• RQ5 与硅量子点中的电子自旋量子比特相比，空穴自旋量子比特平台在退相干与控制方面有何差异？

主要发现

• 锗量子阱中轻空穴与重空穴能带表现出超过100 meV的显著本征分裂，可实现稳健的量子比特态分离。
• 沿阱方向空穴的有效质量估计为 ~0.05 m₀，表明其具有高迁移率，且具备实现快速门操作的潜力。
• 锗中核自旋-0同素异形体的高天然丰度显著降低了超精细引起的退相干。
• 锗中强自旋-轨道耦合使得电偶极自旋共振得以实现，从而支持全电控的量子比特操作。
• 由于缺乏低能谷态，且空穴量子比特的尺寸大于电子点，因此可减少非期望相互作用，提升量子比特保真度。
• 大能带分裂、轻有效质量以及退相干的抑制相结合，使该系统在可扩展量子计算方面极具前景。