[论文解读] Simultaneous Operations in a Two-Dimensional Array of Singlet-Triplet Qubits

Federico Fedele, Anasua Chatterjee+4 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 42被引用 41

一句话总结

该论文通过频率复用读出和同步门脉冲，在由四个砷化镓单重-三重态量子比特组成的二维阵列中实现了同时的相干操作与单次测量。其在交换振荡中实现了3.4至5.1的质量因子，退相干时间约为20纳秒，同时利用中心多电子量子点作为可调制的自旋交换耦合器，实现了可扩展的、由门控控制的自旋量子比特架构。

ABSTRACT

In many physical approaches to quantum computation, error-correction schemes assume the ability to form two-dimensional qubit arrays with nearest-neighbor couplings and parallel operations at multiple qubit sites. While semiconductor spin qubits exhibit long coherence times relative to their operation speed and single-qubit fidelities above error correction thresholds, multiqubit operations in two-dimensional arrays have been limited by fabrication, operation, and readout challenges. We present a two-by-two array of four singlet-triplet qubits in gallium arsenide and show simultaneous coherent operations and four-qubit measurements via exchange oscillations and frequency-multiplexed single-shot measurements. A larger multielectron quantum dot is fabricated in the center of the array as a tunable interqubit link, which we utilize to demonstrate coherent spin exchange with selected qubits. Our techniques are extensible to other materials, indicating a path towards quantum processors with gate-controlled spin qubits.

研究动机与目标

• 实现在二维单重-三重态量子比特阵列中同时进行相干操作与读出。
• 解决半导体自旋量子比特在扩展过程中面临的挑战，包括串扰、门扇出和多量子比特测量问题。
• 展示中心多电子量子点作为量子比特之间相干自旋交换耦合器的可行性。
• 通过可扩展的制造与控制技术，验证门控自旋量子比特的可扩展性。

提出的方法

• 制备了一个由四个GaAs双量子点（DQD）组成的2×2阵列，每个量子点通过局部电荷传感器实现单重-三重态量子比特编码，并支持单次读出。
• 采用频率复用的反射测量技术，通过四个具有不同谐振频率的电感，同时测量全部四个量子比特。
• 对八个栅极电极施加同步电压脉冲，以初始化量子比特并诱导相干交换旋转（奥弗豪泽或交换振荡）。
• 通过累积栅极形成中心多电子量子点（MED），用作可调耦合器，以介导与选定量子比特之间的相干自旋交换。
• 通过时间域数据的指数衰减和阻尼正弦拟合，提取退相干时间T*2和交换振荡可见度。
• 利用泄漏光谱和磁场扫描，确认MED中存在非零自旋，并探测交换耦合行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在GaAs二维阵列中的四个单重-三重态量子比特上实现同时的相干操作？
• RQ2 频率复用的单次测量能否以高保真度同时分辨全部四个量子比特？
• RQ3 中心多电子量子点是否能够实现与阵列中单个量子比特之间的相干自旋交换？
• RQ4 退相干和交换振荡质量因子如何随实验参数（如能级失谐和磁场）变化？
• RQ5 能否通过交换旋转速度和可见度测量，量化串扰和相干性限制？

主要发现

• 在全部四个量子比特中均观测到同时的交换振荡，其质量因子在3.4至5.1之间。
• 所有量子比特的非均匀退相干时间（T*2）约为20纳秒，具体数值为：Q1为20.3纳秒，Q2为22.1纳秒，Q3为23.0纳秒，Q4为22.3纳秒。
• 成功演示了量子比特与中心多电子量子点之间的相干自旋交换，观测到MED三个连续电荷态上的振荡行为。
• 泄漏光谱揭示了U形特征，与MED中存在非零自旋一致，表明其基态在S=1/2与S=1之间交替变化。
• 交换耦合强度对平面内和垂直方向的磁场表现出微弱依赖性，表明当前构型中轨道效应极小。
• 通过交换旋转速度检测到量子比特之间的串扰，观察到虽小但可测量的影响。