[论文解读] Tunable hole spin-photon interaction based on g-matrix modulation

V. P. Michal, J. C. Abadillo-Uriel+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在半导体量子点与超导微波谐振器耦合系统中实现可调谐的空穴自旋-光子相互作用，通过强自旋-轨道耦合实现电控g-张量调制。通过调节栅压和磁场方向，相互作用可在完全横向与完全纵向耦合之间切换，且最大耦合强度以互惠方式实现，从而实现鲁棒的自旋-光子纠缠及增强相干性的参数化耦合，真实器件中耦合速率可达约10 MHz。

ABSTRACT

We consider a spin circuit-QED device where a superconducting microwave resonator is capacitively coupled to a single hole confined in a semiconductor quantum dot. Thanks to the strong spin-orbit coupling intrinsic to valence-band states, the gyromagnetic g-matrix of the hole can be modulated electrically. This modulation couples the photons in the resonator to the hole spin. We show that the applied gate voltages and the magnetic-field orientation enable a versatile control of the spin-photon interaction, whose character can be switched from fully transverse to fully longitudinal. The longitudinal coupling is actually maximal when the transverse one vanishes and vice-versa. This "reciprocal sweetness" results from geometrical properties of the g-matrix and protects the spin against dephasing or relaxation. We estimate coupling rates reaching ~ 10 MHz in realistic settings and discuss potential circuit-QED applications harnessing either the transverse or the longitudinal spin-photon interaction. Furthermore, we demonstrate that the g-matrix curvature can be used to achieve parametric longitudinal coupling with enhanced coherence.

研究动机与目标

• 在无外部驱动或微磁体的情况下，实现空穴自旋量子比特系统中全电控、栅压可调的自旋-光子相互作用。
• 利用空穴量子点中非标量g-张量的几何特性，实现可切换的横向与纵向耦合。
• 证明通过g-张量曲率调制可实现具有增强相干性的参数化纵向耦合。
• 估算真实器件中的耦合强度，并识别可行的电路量子电动力学应用，如量子态转移和CZ门。

提出的方法

• 在[110]取向的硅纳米线量子点中建立空穴自旋量子比特模型，通过前栅和背栅控制约束势。
• 采用六带k⋅p模型结合有限差分离散化方法，计算在不同栅压和磁场方向下的空穴波函数与g-张量。
• 计算g-张量的导数，以确定横向与纵向自旋-光子耦合灵敏度β⊥与β∥。
• 计算曲率参数γ∥以评估参数化纵向耦合强度。
• 使用有限体积法求解泊松方程，以模拟静电势与栅压诱导的电场。
• 将耦合强度绘制为磁场方向与背栅电压的函数，以识别最优工作点。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过栅压和磁场方向调节，将空穴自旋量子比特中的自旋-光子相互作用从纯横向完全切换为纯纵向耦合？
• RQ2 非标量g-张量的几何特性如何实现横向与纵向耦合之间的互惠调制？
• RQ3 在真实器件中，空穴自旋与微波光子之间的最大可实现耦合速率是多少？
• RQ4 能否通过g-张量曲率调制实现具有增强相干性的参数化纵向耦合？
• RQ5 器件几何结构与栅极重叠如何影响自旋-光子耦合的强度与可调性？

主要发现

• 通过调节栅压与磁场方向，可完全切换自旋-光子耦合的横向与纵向特性，且最大耦合强度以互惠方式实现。
• 在背栅电压V_BG ≈ -68 mV时，空穴波函数覆盖整个沟道宽度，导致β∥与β⊥灵敏度因对称性反转而趋于零。
• 最大纵向耦合（γ∥^max）与最大横向灵敏度（β⊥^max）在V_BG ≈ -77 mV时达到，真实模拟中耦合速率可达约10 MHz。
• 通过减小栅极-沟道重叠可增强曲率参数γ∥^max，当S_y = 10 nm时，γ∥相比20 nm时提升约两倍。
• 氧化层中的电压降可使β灵敏度降低最多达40%，但非线性效应可补偿，从而保持强γ∥耦合。
• 该系统支持具有长相干时间的参数化纵向耦合，适用于快速量子非破坏性测量与多量子比特纠缠门等应用。