[论文解读] Rapid high-fidelity gate-based spin read-out in silicon

Guoji Zheng, Nodar Samkharadze+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2019

Quantum and electron transport phenomena参考文献 31被引用 29

一句话总结

该论文展示了一种在硅中利用与双量子点栅极电极集成的片上超导谐振器实现快速、高保真度单次自旋读出的方法。通过测量谐振器透射率中的电荷敏感度，该方法在仅6 μs内实现了超过98%的平均保真度，从而实现了无需外部静电计的可扩展、频率复用读出。

ABSTRACT

Silicon spin qubits form one of the leading platforms for quantum computation. As with any qubit implementation, a crucial requirement is the ability to measure individual quantum states rapidly and with high fidelity. As the signal from a single electron spin is minute, different spin states are converted to different charge states. Charge detection so far mostly relied on external electrometers, which hinders scaling to two-dimensional spin qubit arrays. As an alternative, gate-based dispersive read-out based on off-chip lumped element resonators were introduced, but here integration times of 0.2 to 2 ms were required to achieve single-shot read-out. Here we connect an on-chip superconducting resonant circuit to two of the gates that confine electrons in a double quantum dot. Measurement of the power transmitted through a feedline coupled to the resonator probes the charge susceptibility, distinguishing whether or not an electron can oscillate between the dots in response to the probe power. With this approach, we achieve a signal-to-noise ratio (SNR) of about six within an integration time of only 1 $μ$s. Using Pauli's exclusion principle for spin-to-charge conversion, we demonstrate single-shot read-out of a two-electron spin state with an average fidelity of $>$98% in 6 $μ$s. This result may form the basis of frequency multiplexed read-out in dense spin qubit systems without external electrometers, therefore simplifying the system architecture.

研究动机与目标

• 实现无需外部电荷探测器的可扩展、高保真度硅自旋量子比特单次自旋读出。
• 克服在密集量子比特阵列中使用外部静电计和大型谐振器的局限性。
• 展示使用片上超导谐振器实现高灵敏度和带宽的基于栅极的频移读出。
• 在与量子比特相干时间兼容的时间范围内，实现超过容错阈值的单次保真度。
• 通过集成谐振器实现频率复用，以支持二维自旋量子比特系统中的可扩展读出。

提出的方法

• 使用NbTiN薄膜在Si/SiGe异质结构上制备了具有高Q值（Q ≈ 2600）和高阻抗的片上超导谐振器。
• 谐振器与定义双量子点（DQD）的两个栅极耦合，通过测量电荷敏感度实现基于栅极的频移读出。
• 通过与谐振器耦合的馈线传输特性探测谐振响应，利用电荷响应区分单重态和三重态自旋态。
• 利用泡利自旋阻塞将双电子自旋态映射到电荷态，其中单重态通过T₁ ≈ 160 μs衰减至三重态基态。
• 在6 μs内积分信号，信噪比（SNR）约为6，实现基于阈值的自旋态区分。
• 通过包含弛豫效应的噪声展宽高斯分布拟合积分信号幅度的双模分布，提取读出保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 片上超导谐振器能否在硅双量子点中实现高保真度、快速的单次自旋读出？
• RQ2 基于栅极的频移读出能否实现足够的灵敏度和带宽，以超越量子误差纠正的容错阈值？
• RQ3 在相对较短的T₁ ≈ 160 μs条件下，使用片上谐振器是否可能在10 μs内实现>98%的单次保真度？
• RQ4 通过将谐振器直接与量子比特栅极集成，能否实现频率复用，从而简化大规模阵列的系统架构？
• RQ5 当使用高Q值片上谐振器时，基于栅极的自旋读出可实现的保真度和积分时间是多少？

主要发现

• 片上超导谐振器在1 μs积分时间内实现了约6的信噪比（SNR）。
• 当积分时间超过6 μs时，单次自旋读出保真度超过98%，在9 μs时平均保真度达到98.4%。
• 三重态保真度为99.5%，单重态保真度为97.3%，在9 μs积分时间下可见度为96.9%。
• 尽管T₁ ≈ 160 μs较短，但谐振器的高灵敏度和带宽使得在10 μs内实现高保真度读出成为可能。
• 外推至T₁为4.5 ms且积分时间为16 μs时，预期保真度可达99.9%，超过容错阈值。
• 该方法实现了无需外部静电计或蓄水池的可扩展、频率复用读出，适用于密集自旋量子比特阵列。