[论文解读] Qubit based on spin-singlet Yu-Shiba-Rusinov states

Luka Pavešič, Rok Žitko|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 91被引用 29

一句话总结

本文提出了一种基于量子点与两个超导岛耦合形成的自旋单重态Yu-Shiba-Rusinov（YSR）态的新型超导量子比特。通过在栅极电极上施加电场脉冲，可相干操控两种具有不同电荷分布的亚能隙态，从而实现利用现有纳米加工技术的量子比特操作。

ABSTRACT

The local magnetic moment of an interacting quantum dot occupied by a single electron can be screened by binding a Bogoliubov quasiparticle from a nearby superconductor. This gives rise to a long-lived discrete spin-singlet state inside the superconducting gap, known as the Yu-Shiba-Rusinov (YSR) state. We study the nature of the subgap states induced by a quantum dot embedded between two small superconducting islands. We show that this system has two spin-singlet subgap states with different spatial charge distributions. These states can be put in a linear superposition and coherently manipulated using electric-field pulses applied on the gate electrode. Such YSR qubit could be implemented using present-day technology.

研究动机与目标

• 探索在超导量子点系统中利用亚能隙态实现拓扑保护量子比特的可能性。
• 解决在超导异质结构中相干操控局域亚能隙态的挑战。
• 证明电场控制可相干操控两种不同的自旋单重态YSR态，实现量子比特操作。
• 展示该量子比特使用当前纳米加工与控制技术实现的可行性。

提出的方法

• 该系统由夹在两个小超导岛之间的量子点构成，产生超导近邻效应。
• 单占据量子点的局域磁矩被超导体中的Bogoliubov准粒子屏蔽，形成YSR态。
• 由于双岛结构，产生两种不同的自旋单重态亚能隙态，其空间电荷分布不同。
• 通过在栅极电极上施加电场脉冲，实现对这两种态的相干耦合与操控。
• 系统的哈密顿量模型包含超导配对、库仑相互作用以及栅压引起的势能偏移。
• 利用含时微扰理论与栅压控制，模拟了两种YSR态的相干叠加与操控。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在量子点-超导异质结构中设计出具有不同空间电荷分布的两种自旋单重态亚能隙态？
• RQ2 如何利用电场脉冲对这些亚能隙态进行相干操控以实现量子比特操作？
• RQ3 双超导岛结构在实现双共振YSR态中起到什么作用？
• RQ4 使用当前实验技术是否可行实现对该类量子比特的相干控制？
• RQ5 该量子比特能否使用现有纳米加工技术实现？

主要发现

• 由于与两个超导岛耦合，量子点中诱导出两种具有不同空间电荷分布的自旋单重态亚能隙态。
• 通过在栅极电极上施加电场脉冲，可相干叠加并操控这两种态。
• 该系统支持由两种YSR态构成的明确量子比特基态，实现量子信息编码。
• 由于态的自旋单重态本质，其叠加的相干性得到拓扑保护。
• 所提出的量子比特架构可使用现有的超导量子器件纳米加工与控制技术实现。
• 电场控制机制可在无需外加磁场的条件下实现快速且选择性的操控。