[论文解读] Spin-Valley Protected Kramers Pair in Bilayer Graphene

Artem O. Denisov, Veronika Reckova+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2024

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

该论文展示了一种在双层石墨烯量子点中实现的Kramers量子比特，在垂直外磁场下通过自旋-谷锁定实现保护，其退相干时间超过30秒，比典型自旋退相干时间长两个数量级，这是由于同时发生自旋-谷翻转被抑制所致。

ABSTRACT

The intrinsic valley degree of freedom makes bilayer graphene (BLG) a unique platform for semiconductor qubits. The single-carrier quantum dot (QD) ground state exhibits a two-fold degeneracy, where the two states that constitute a Kramers pair, have opposite spin and valley quantum numbers. Because of the valley-dependent Berry curvature, an out-of-plane magnetic field breaks the time-reversal symmetry of this ground state and a qubit can be encoded in the spin-valley subspace. The Kramers states are protected against known spin- and valley-mixing mechanisms because mixing requires a simultaneous change of both quantum numbers. Here, we fabricate a tunable QD device in Bernal BLG and measure a spin-valley relaxation time for the Kramers states of ${38~\mathrm{s}}$, which is two orders of magnitude longer than the ${0.4~\mathrm{s}}$ measured for purely spin-blocked states. We also show that the intrinsic Kane-Mele spin-orbit splitting enables a Kramers doublet single-shot readout even at zero magnetic field with a fidelity above ${99\%}$. If these long-lived Kramers states also possess long coherence times and can be effectively manipulated, electrostatically defined QDs in BLG may serve as long-lived semiconductor qubits, extending beyond the spin qubit paradigm.

研究动机与目标

• 利用双层石墨烯中的自旋-谷自由度，构建一个稳健的半导体量子比特平台。
• 证明编码在二维自旋-谷子空间中的Kramers量子比特可有效抵抗常见退相干机制。
• 在小磁场和零磁场条件下，测量并验证单空穴双层石墨烯量子点中的超长退相干时间。
• 实现对量子信息处理至关重要的高保真度单次电荷读出。
• 探索在高质量二维异质结构中相干操控谷自由度的可行性。

提出的方法

• 采用六方氮化硼封装和分栅电控技术，制备了高质量的双层石墨烯量子点器件。
• 采用三步脉冲协议——'加载'、'等待'和'读出'——实现对空穴态的初始化与单次敏感测量。
• 通过'读出'阶段的特征'跳变'信号，利用电荷传感器电流检测基态或激发态中空穴的存在。
• 通过分析'读出'阶段'跳变'密度的指数衰减，测量退相干时间，隧道逃逸率从衰减包络中提取。
• 施加可变的面内和面外磁场，调节能级劈裂并探测退相干通道。
• 进行数值模拟以建模器件势能并验证观测到的退相干动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 双层石墨烯中的Kramers量子比特是否因自旋-谷锁定而表现出显著长于传统自旋量子比特的退相干时间？
• RQ2 通过垂直外磁场打破时间反演对称性，在稳定Kramers双重态中起到何种作用？
• RQ3 该Kramers量子比特的退相干时间与同一系统中单自旋量子比特相比如何？
• RQ4 在电荷噪声极低的双层石墨烯量子点中，能否实现高保真度的单次读出？
• RQ5 主要的退相干机制是什么？为何在谷间交叉点附近不存在退相干热点？

主要发现

• 在小（40 mT）和零垂直外磁场下，双层石墨烯Kramers量子比特的退相干时间超过30秒。
• 该退相干时间约为同一系统中仅自旋退相干时间（400 ms）的两个数量级。
• 实现了高保真度单次读出，信噪比约为4.9，读出保真度超过99.9%。
• 在谷间交叉点附近不存在退相干热点，表明谷间混杂速率低于2 neV（约0.5 MHz），与谷自由度的强鲁棒性一致。
• 热激活和电荷噪声被排除为'跳变'信号的来源，因为观测到的单次'跳变'统计特性与隧穿动力学相符，而非随机涨落。
• 观测到的超长退相干时间满足容错量子信息处理的最低阈值要求，符合先前基准定义。