[论文解读] Superconducting Gatemon Qubit based on a Proximitized Two-Dimensional Electron Gas

Lucas Casparis, M. R. Connolly+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2017

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

该论文展示了一种基于近邻效应诱导的二维电子气（2DEG）的可扩展超导gatemon量子比特平台，实现了通过局部栅极的全电控量子比特操控。作者实现了相干的单量子比特旋转和两量子比特交换操作，量子比特相干时间最高达~2 μs，其限制因素为2DEG基底中的介电损耗，为构建可扩展、磁通不敏感的量子处理器提供了可行路径。

ABSTRACT

The coherent tunnelling of Cooper pairs across Josephson junctions (JJs) generates a nonlinear inductance that is used extensively in quantum information processors based on superconducting circuits, from setting qubit transition frequencies and interqubit coupling strengths, to the gain of parametric amplifiers for quantum-limited readout. The inductance is either set by tailoring the metal-oxide dimensions of single JJs, or magnetically tuned by parallelizing multiple JJs in superconducting quantum interference devices (SQUIDs) with local current-biased flux lines. JJs based on superconductor-semiconductor hybrids represent a tantalizing all-electric alternative. The gatemon is a recently developed transmon variant which employs locally gated nanowire (NW) superconductor-semiconductor JJs for qubit control. Here, we go beyond proof-of-concept and demonstrate that semiconducting channels etched from a wafer-scale two-dimensional electron gas (2DEG) are a suitable platform for building a scalable gatemon-based quantum computer. We show 2DEG gatemons meet the requirements by performing voltage-controlled single qubit rotations and two-qubit swap operations. We measure qubit coherence times up to ~2 us, limited by dielectric loss in the 2DEG host substrate.

研究动机与目标

• 开发一种免受磁通噪声和串扰影响的可扩展全电控超导量子比特平台。
• 展示基于2DEG结的局部栅极实现量子比特相干控制。
• 在晶圆级2DEG异质结构中实现高保真度的单量子比特与两量子比特操作。
• 评估量子比特相干时间并识别介电损耗为主要限制因素。
• 实现无需磁通控制的频率可调量子比特，降低三维集成的复杂性。

提出的方法

• 采用晶圆级Al/InGaAs/InP 2DEG异质结构，通过近邻效应诱导的超导Al层制备gatemon量子比特。
• 通过湿法刻蚀100 nm长的Al段，定义约瑟夫森结，形成具有可调宽度w的2DEG约瑟夫森结。
• 采用20 nm厚的AlOx栅极电介质和顶部Al栅极，通过电容耦合调节约瑟夫森能量EJ。
• 集成T形Al岛，与共面波导谐振腔电容耦合，用于读出与控制。
• 使用IQ调制的微波脉冲和非简并混频检测实现单量子比特操作与态读出。
• 通过拉比与拉姆齐光谱测量表征量子比特相干性与门保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于2DEG的gatemon量子比特能否实现全电控的相干单量子比特旋转？
• RQ2 2DEG gatemon的相干时间是多少？其主要限制因素是什么？
• RQ3 能否在2DEG gatemon平台上实现相干的两量子比特交换操作？
• RQ4 在2DEG约瑟夫森结中，约瑟夫森能量EJ如何随结宽w变化？
• RQ5 2DEG gatemon平台能否支持可扩展的、磁通不敏感的量子计算？

主要发现

• 测得量子比特相干时间最高达~2 μs，主要受限于2DEG基底中的介电损耗。
• 观察到相干的拉比振荡，其拟合为高斯衰减正弦曲线，证实了高保真度的单量子比特控制。
• 拉姆齐干涉条纹显示相干的Z轴旋转，可见度与高保真度门操作一致。
• 两量子比特交换操作被成功实现，证实了纠缠门能力。
• 约瑟夫森能量EJ随结宽w变化，可通过栅压实现频率可调的量子比特。
• 2DEG gatemon平台可在单芯片上实现六个独立可寻址的量子比特，证明了其可扩展性。