[论文解读] Ultrafast Operations of a Hole Spin Qubit in Ge Quantum Dot

Ke Wang, Gang Xu+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用 5

一句话总结

该论文展示了利用强自旋-轨道耦合，在锗量子点中实现超快、全电控的空穴自旋量子比特，仅在100 mT磁场下即实现超过540 MHz的拉比频率。通过利用自旋-轨道介导的共振和相位可调的微波调制，作者实现了高保真度的双轴控制以及90的高Q因子，使快速、相干的自旋操作成为可能，适用于可扩展的量子计算。

ABSTRACT

Strong spin-orbit coupling and relatively weak hyperfine interaction make quantum dots in germanium a promising candidate for rapid, all-electrically quantum control of spin qubit. Here, we report two different modes of quantum operation in a single spin-qubit based on holes in germanium hut wire. By selecting a proper branch of spin resonances mediated by spin-orbit interaction, a Rabi oscillation exceeding 540 MHz is observed at a small magnetic field of 100 mT. Furthermore, we perform two-axis control of the spin qubit by applying a phase-tunable microwave modulation. A dephasing time is measured by Ramsey spectroscopy, and further extended by dynamic decoupling. The qubit has a rather high quality-factor of 90, for nanowire-based spin qubits.Based on numerical calculation of the Rabi frequency of these two modes, we confirm that the ultrafast control speed is caused by the large spin-orbit coupling strength of holes in germanium.Our results demonstrate the potential to further control the spin qubit with a faster frequency to meet the requirement of Divincenzo's criteria for quantum gates, when the spin-orbit coupling is properly enhanced while maintaining good coherence in this system.

研究动机与目标

• 实现锗量子点中空穴自旋量子比特的超快、全电控操作。
• 探究强自旋-轨道耦合在实现高速量子操作中的作用。
• 通过相位可调的微波调制实现双轴控制，以实现通用量子门操作。
• 利用动态解耦技术延长退相干时间，并测量量子比特的品质因子。
• 评估锗空穴自旋量子比特满足Divincenzo可扩展量子计算标准的潜力。

提出的方法

• 利用锗荷堤线量子点中的空穴自旋，以利用强自旋-轨道耦合。
• 应用相位可调的微波脉冲，实现对自旋量子比特的双轴控制。
• 在100 mT磁场下测量拉比振荡，以确定控制速度。
• 使用Ramsey光谱法测量退相干时间并评估相干性。
• 采用动态解耦序列以延长退相干时间。
• 通过数值建模拉比频率，确认自旋-轨道耦合在实现超快操作中的关键作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在锗空穴自旋量子比特中通过全电控实现超快拉比振荡？
• RQ2 锗空穴中的自旋-轨道耦合如何影响量子操作的速度和保真度？
• RQ3 在单个自旋量子比特中，相位可调的微波调制在多大程度上可实现双轴控制？
• RQ4 在动态解耦条件下，空穴自旋量子比特的相干时间和品质因子是多少？
• RQ5 该系统是否能满足Divincenzo容错量子计算标准的要求？

主要发现

• 在仅100 mT的磁场下，实现了超过540 MHz的拉比频率，证明了超快单量子比特操作的可行性。
• 该量子比特表现出90的高Q因子，表明其在长相干时间和高保真度操作方面具有强大潜力。
• 通过Ramsey光谱法测量退相干时间，并进一步利用动态解耦技术延长了退相干时间。
• 成功实现了通过相位可调微波调制实现的自旋量子比特双轴控制。
• 数值计算证实，超快控制速度主要由锗空穴中较大的自旋-轨道耦合强度驱动。
• 结果表明，进一步增强自旋-轨道耦合有望实现更快的门操作，同时保持良好的相干性，满足可扩展量子计算的关键需求。