[论文解读] Sweet-spot operation of a germanium hole spin qubit with highly anisotropic noise sensitivity

Nico W. Hendrickx, Leonardo Massai+6 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2023

Quantum and electron transport phenomena参考文献 50被引用 9

一句话总结

该研究表征了Ge/SiGe量子井中高度各向异性的重空穴 g 张量，将电场驱动的 g 张量调制与量子比特驱动与相干性联系起来，证明了Ising 型超精细耦合，并识别出一个超精细甜点，能够实现高保真、低场量子比特操作。

ABSTRACT

Spin qubits defined by valence band hole states comprise an attractive candidate for quantum information processing due to their inherent coupling to electric fields enabling fast and scalable qubit control. In particular, heavy holes in germanium have shown great promise, with recent demonstrations of fast and high-fidelity qubit operations. However, the mechanisms and anisotropies that underlie qubit driving and decoherence are still mostly unclear. Here, we report on the highly anisotropic heavy-hole $g$-tensor and its dependence on electric fields, allowing us to relate both qubit driving and decoherence to an electric modulation of the $g$-tensor. We also confirm the predicted Ising-type hyperfine interaction but show that qubit coherence is ultimately limited by $1/f$ charge noise. Finally, we operate the qubit at low magnetic field and measure a dephasing time of $T_2^*=9.2$ $μ$s, while maintaining a single-qubit gate fidelity of 99.94 %, that remains well above 99 % at an operation temperature T>1 K. This understanding of qubit driving and decoherence mechanisms are key for the design and operation of scalable and highly coherent hole qubit arrays.

研究动机与目标

• 理解 Ge/SiGe 量子井中重空穴自旋如何响应电场和磁场取向。
• 表征重空穴 g 张量的各向异性及其对电场的敏感性，以连接驱动与去相干机制。
• 识别在去相干最小化的同时保持快速量子比特控制的工作区间（甜点）。
• 在低磁场和较高温度下展示高保真单量子比特操作。
• 评估 Ge-73 核的超精细相互作用及其各向异性对相干性的影响。

提出的方法

• 通过在不同 B 方向下从拉莫频率提取 g* 来测量两个 Ge 空穴的 g 张量。
• 将 g 张量建模为一个旋转对角张量，并拟合欧拉角以匹配实验数据。
• 应用 Hahn 回波和 CPMG 序列以分离电荷噪声与核自旋去相干的贡献。
• 调制门电压以绘出 g 张量分量的变化（偏导数 ∂g/∂Vi），并将其与 fQ 与 fRabi 相关联。
• 使用 g-Tensor-Mediated Resonance (g-TMR) 理论从测得的 ∂g/∂Vi 预测 Rabi 频率并与实验比较。
• 分析 Ge-73 的超精细相互作用，以识别 Ising 型相互作用及其对相干性的影响。

Figure 1: A germanium hole two-qubit system. a , Schematic drawing of the three quantum dot device. We define qubits Q1 and Q2 underneath plunger gates P1 and P2 respectively, that can be read out using the nearby charge sensor (CS) defined by gates SP, SB1, and SB2. The coupling between the qubits

实验结果

研究问题

• RQ1 重空穴 g 张量在 Ge/SiGe 量子井中的取向和磁场强度依赖性如何？
• RQ2 电场涨落（电荷噪声）如何耦合到 g 张量的调制以驱动或去相干空穴自旋量子比特？
• RQ3 Ge-73 的超精细相互作用是否为 Ising 型？这种各向异性如何影响量子比特的相干性？
• RQ4 是否能找到同时优化驱动并最小化去相干的操作甜点，尤其在低磁场下？
• RQ5 在已识别的甜点和低场下操作的实际相干性与门保真度优势是什么？

主要发现

• 两枚量子比特中的重空穴 g 张量高度各向异性，g z′ ≈ 30、g y′ ≈ 180、g x′，并且主轴在两枚量子比特之间非常接近匹配（差异 <10%）。
• 量子比特驱动与去相干由电场引起的 g 张量畸变（g 张量调制）所支配。
• Ge-73 的超精细耦合为 Ising 型，对于面内场强被强烈抑制，但总体相干性仍受 1/f 电荷噪声限制。
• 存在一个超精细甜平面，在该平面两量子比特的量子化轴对齐以抑制核噪声驱动的去相干，从而实现较长的相干时间；在低场时，T2* ≈ 17.6 μs，T2DD > 1 ms，且高门保真。
• 单量子比特门保真度在 B = 12 mT 时达到 99.94%，并且在高达 1.1 K 的温度下仍保持在 99% 以上，表明在较高温度下的稳健操作。

Figure 2: Measurement of the hole $\bm{g}$ -tensor. a - c , e - g , Cross section of the $g$ -tensor of Q1 ( a - c ) and Q2 ( e - g ) in the $xy$ -plane ( a , d ), $xz$ -plane ( b , e ), and the $yz$ -plane ( c , f ) of the magnet frame. Dots indicate measurements of $g^{*}$ and the solid line corre