[论文解读] Mitigating the effects of charge noise and improving the coherence of a quantum dot hybrid qubit

Brandur Thorgrimsson, Dohun Kim+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2016

Quantum and electron transport phenomena被引用 2

一句话总结

本研究识别出电荷噪声是限制量子点混合量子比特相干性的主要因素，表明通过调节量子比特参数并在较大偏离共振条件下运行，可抑制电荷引起的涨落。通过优化这些参数，作者实现了 Ramsey 衰减时间 $T_2^* = 127~\mathrm{ns}$ 和 Rabi 衰减时间超过 $1~\mathrm{\mu s}$，显著提升了量子比特相干性，超越了以往的极限。

ABSTRACT

Identifying dominant sources of decoherence is an important step in understanding and improving quantum systems. Here we show that the free induction decay time ($T_{2}^{*}$) and the Rabi decay rate ($\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$) of the quantum dot hybrid qubit are limited by charge noise for a large range of detunings. We show that by tuning the parameters of the qubit, and by operating the qubit at larger detunings, the coherence times can be increased by more than an order of magnitude. We achieve a Ramsey decay time $T_{2}^{*}$ of $127~\mathrm{ns}$ and a Rabi decay time, $1/\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$, exceeding $1~\mathrm{\mu s}$. We show that the slowest $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ is limited by fluctuations in the Rabi frequency induced by charge noise and not by fluctuations in the qubit energy itself.

研究动机与目标

• 识别量子点混合量子比特中主导退相干来源。
• 研究电荷噪声在不同偏离共振度下对 $T_2^*$ 和 Rabi 衰减率 $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ 的影响。
• 确定 Rabi 频率涨落还是量子比特能量涨落主导 Rabi 衰减。
• 提出通过优化量子比特操作参数来增强相干性的策略。

提出的方法

• 系统性地改变量子比特偏离共振度，以研究其对 $T_2^*$ 和 $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ 的影响。
• 通过 Ramsey 干涉测量 $T_2^*$，以评估自由感应衰减。
• 通过 Rabi 振荡衰减测量 $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$，以分离噪声贡献。
• 分析 Rabi 频率涨落与 $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ 之间的相关性，以区分噪声来源。
• 调节栅极电压以调整量子比特参数，最小化对电荷噪声的敏感性。
• 比较不同偏离共振度下的相干时间，以确定最佳工作区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 电荷噪声是否是限制量子点混合量子比特中 $T_2^*$ 和 $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ 的主要退相干来源？
• RQ2 增加量子比特偏离共振度如何影响相干时间和 Rabi 衰减率？
• RQ3 Rabi 频率涨落还是量子比特能量涨落主导 $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$？
• RQ4 通过优化量子比特参数并在较大偏离共振度下运行，能否显著提升相干性？

主要发现

• 在广泛偏离共振度范围内，电荷噪声被确定为限制 $T_2^*$ 和 $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ 的主要来源。
• 增加偏离共振度可减少电荷噪声的影响，使相干时间提升超过十倍。
• 实现了 Ramsey 衰减时间 $T_2^*$ 为 $127~\mathrm{ns}$，相比以往结果有显著提升。
• Rabi 衰减时间超过 $1~\mathrm{\mu s}$，表明由 Rabi 频率涨落引起的退相干被有效抑制。
• 最慢的 $\Gamma_{\mathrm{Rabi}}$ 由电荷噪声引起的 Rabi 驱动涨落主导，而非量子比特能量涨落。
• 在较大偏离共振度下进行最优操作，可显著抑制电荷噪声效应，实现更长的相干时间。