[论文解读] Noise suppression and long-range exchange coupling for gallium arsenide spin qubits

Filip K. Malinowski|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2017

Quantum and electron transport phenomena参考文献 118被引用 3

一句话总结

该论文通过门控定义的量子点与动力学解耦，展示了在砷化镓自旋量子比特中实现噪声抑制与长程交换耦合。通过利用对称量子点结构与动力学解耦，作者将双量子点单重-三重态量子比特的相干性提升六倍，并将电子自旋相干时间延长至870 µs，同时通过多电子媒介量子点实现了可调谐的长程交换耦合。

ABSTRACT

This thesis presents the results of the experimental study performed on spin qubits realized in gate-defined gallium arsenide quantum dots, with the focus on noise suppression and long-distance coupling.

研究动机与目标

• 通过对称量子点结构减少GaAs自旋量子比特对电荷噪声的敏感性。
• 通过定制的动力学解耦序列测量并抑制Overhauser场噪声。
• 通过多电子量子点媒介，实现远距离电子间的长程交换耦合。
• 在不同电荷占据情况下，识别多电子量子点中的基态自旋。
• 通过利用多电子媒介中低噪声电压区域，实现高保真度、长程两量子比特门。

提出的方法

• 采用可调隧道耦合与对称结构的门控定义GaAs量子点，以最小化栅压梯度。
• 应用动力学解耦序列（XY8）对兆赫兹频率下的窄带Overhauser噪声进行陷波滤波。
• 使用单次自旋测量与量子过程层析技术表征量子比特相干性与交换振荡。
• 对多电子量子点的九种电荷占据状态进行系统测量，以绘制基态自旋构型。
• 在电荷转变附近设计栅压扫掠，以调节偶占据自旋-1/2量子点中交换相互作用的符号与强度。
• 通过自旋-0多电子媒介量子点，实现了远距离单自旋量子比特间的相干交换耦合，其耦合强度可调至数GHz。

实验结果

研究问题

• RQ1 对称量子点结构如何降低单重-三重态与共振交换量子比特中的电荷噪声？
• RQ2 GaAs中Overhauser场噪声的谱结构是什么，能否被有效抑制？
• RQ3 多电子量子点能否作为媒介，实现远距离电子间的长程交换耦合？
• RQ4 单自旋与多电子量子点之间的交换相互作用如何随栅压与电荷占据变化？
• RQ5 多电子量子点中是否存在电荷噪声敏感性降低的电压区域，从而实现高保真度两量子比特门？

主要发现

• 通过对称量子点操作，双量子点单重-三重态交换振荡的质量因子提高了六倍。
• GaAs中电子自旋相干时间被延长至870 µs，创下迄今最高的下限记录。
• 在1 mHz–1 kHz范围内的Overhauser场噪声遵循经典自旋扩散行为，而兆赫兹频段的噪声则因三种核同位素的拉莫尔进动而集中于三个窄带。
• 在偶占据、自旋-1/2多电子量子点中，靠近电荷转变的几毫伏栅压扫掠可导致与邻近电子交换相互作用的符号反转。
• 通过自旋-0多电子媒介量子点，成功实现了远距离电子间的长程交换耦合，其耦合强度可调至数GHz。
• 多电子量子点中的特定电压区域因能级间距小及多体效应而表现出较低的电荷噪声敏感性，从而支持高保真度两量子比特操作。