[论文解读] Spin-valley qubits in gated quantum dots in a single layer of transition metal dichalcogenides

Abdulmenaf Altıntaş, Maciej Bieniek+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2021

2D Materials and Applications参考文献 85被引用 16

一句话总结

本文提出了一种关于在单层过渡金属二硫属化物（TMDC）栅控量子点中自旋-谷量子比特的微观、原子尺度理论，利用强自旋-轨道耦合与谷锁定效应，实现简并的量子比特态。通过垂直电场（以激活自旋-轨道耦合）与局域横向栅极（以诱导谷混杂）的组合，实现对量子比特的高保真度控制，从而在真实的、含数百万个原子的纳米结构中实现通用单量子比特操作。

ABSTRACT

We develop a microscopic and atomistic theory of electron spin-based qubits in gated quantum dots in a single layer of transition metal dichalcogenides. The qubits are identified with two degenerate locked spin and valley states in a gated quantum dot. The two-qubit states are accurately described using a multi-million atom tight-binding model solved in wavevector space. The spin-valley locking and strong spin-orbit coupling result in two degenerate states, one of the qubit states being spin-down located at the $+K$ valley of the Brillouin zone, and the other state located at the $-K$ valley with spin up. We describe the qubit operations necessary to rotate the spin-valley qubit as a combination of the applied vertical electric field, enabling spin-orbit coupling in a single valley, with a lateral strongly localized valley-mixing gate.

研究动机与目标

• 开发单层TMDC栅控量子点中自旋-谷量子比特的微观、原子尺度理论。
• 识别并表征形成逻辑量子比特基态的两个简并、自旋-谷锁定态。
• 提供一种实用且与实验兼容的方案，实现对自旋-谷量子比特的通用单量子比特操作。
• 证明通过垂直电场与局域横向势的组合，可实现量子比特旋转（σx操作）。

提出的方法

• 使用包含数百万个原子的紧束缚模型，在波矢空间中描述TMDC量子点中的电子态。
• 通过深度为V0、半径为RQD的高斯势阱模拟量子点的限制势。
• 通过倒空间中的类似k·p的方法，显式引入自旋-轨道耦合与谷自由度。
• 施加随时间变化的垂直电场以激活自旋-轨道耦合并实现自旋翻转。
• 使用随时间变化的、高度局域的横向势，以诱导谷混杂并实现K与−K谷之间的跃迁。
• 通过分析导带态的轨道组成（作为偶宇称金属轨道与硫双原子轨道的线性组合），阐明量子比特旋转的机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用原子尺度电子结构理论，在单层TMDC的栅控量子点中编码自旋-谷量子比特？
• RQ2 对自旋-谷量子比特执行通用单量子比特操作所需的外部控制机制是什么？
• RQ3 垂直电场与横向栅极如何协同作用，实现实现量子比特旋转所必需的自旋与谷翻转？
• RQ4 轨道对称性与宇称在TMDC中实现自旋-谷量子比特操作中起什么作用？
• RQ5 所提出的方案是否可使用实验可实现的栅极（如石墨烯背栅和STM探针）实现？

主要发现

• 在栅控量子点中，两个最低电子态形成一个自旋-谷锁定的简并双重态：+K谷处的态自旋向下，−K谷处的态自旋向上。
• 通过同时施加随时间变化的垂直电场与随时间变化的局域横向势，可实现量子比特旋转（σx操作）。
• 垂直电场主要耦合至硫层，激活奇宇称导带，通过自旋-轨道耦合实现自旋翻转。
• 横向栅极通过耦合到相反自旋轨道，诱导谷混杂，实现两个简并量子比特态之间的跃迁。
• 该方案与现有实验装置兼容，包括双石墨烯垂直栅极和基于STM的横向栅极，适用于WSe2基量子点。
• 该方法可在真实的、含数百万个原子的TMDC纳米结构中实现通用单量子比特操作，为可扩展的自旋-谷量子比特架构铺平道路。