重洞自旋量子比特的最佳工作点及其高各向异性噪声灵敏度
德国重洞自旋量子比特的最佳工作点及其高各向异性噪声灵敏度
背景与动机
量子计算机（quantum computer）的发展在解决复杂问题上前景非常广阔。然而，构建一个容错的量子计算机需要集成大量具有高度相干性的量子比特（qubit）。自旋量子比特，特别是基于德国锗（Germanium, Ge）量子阱中的孔量子比特，因其具有低噪声环境、高效控制和制造难度低等优点，逐渐受到重视。然而，在操控这些量子比特的过程中，经常会遇到由电场引起的g-张量（g-tensor）各向异性引发的去相干和操控难题。
值得注意的是，重洞（heavy hole）在这些自旋量子比特中的作用显得尤为重要。重洞自旋量子比特不仅具有快速和高保真度的操作，还能够通过电场实现快速可扩展的量子比特控制。然而，驱动量子比特和退相干机制的本质以及由此带来的各向异性问题尚未被完全理解。
论文概况
本文由IBM Research Europe-Zurich和IBM Quantum, T. J. Watson Research Center的科学家共同撰写。主要作者包括N. W. Hendrickx、L. Massai、M. Mergenthaler、F. J. Schupp、S. Paredes、S. W. Bedell、G. Salis和A. Fuhrer。该研究发表于2024年在《Nature Materials》期刊上，探讨了德国锗中的重洞自旋量子比特的驱动机制和去相干机制。
研究流程与实验细节
本实验定义了含两个量子比特系统，基于受限在应变锗/硅锗异质结构量子阱中的孔自旋。通过电荷传感器测量电荷稳定图（charge stability diagram），在(1,1)电荷态下进行自旋阻塞（Pauli spin blockade）读取试验，以区分|↓↓⟩和|↓↑⟩状态。
重洞g-张量测量
洞在二维应变锗量子阱中的受限分离了重洞和轻洞带。孔波函数中的重洞成分会影响洞的g-张量，使其表现出高度各向异性。该g-张量可被描述为旋转的对角3×3矩阵，重洞g-张量的极大各向异性被揭示，证明其在样品生长方向z上几乎对齐，分别为大约30倍和180倍的gx’和gy’。
该各向异性导致了量子比特的量子化轴与施加的磁场不对齐，这种不对齐反映了局部应变梯度对g-张量的影响。对来自不同方向施加的电场围绕的量子比特量子化轴定向的影响评估揭示了g-张量对电场特别敏感，这使得电场调制可以极大地改变量子比特的Larmor频率。
电场灵敏度和全向电场与噪声相互作用验证
使用Hahn回波实验测定了q2的频率对栅电极上的电位变化的灵敏度，发现与电场波动平行（纵向）变化时，频率变化导致去相干，而与之垂直（横向）变化时，则通过g-张量磁共振驱动量子比特操作。实验结果表明，根据各种磁场方向的电场灵敏度，提升了超过数量级的相干时间。
实验结果的进一步确认
通过g-张量磁共振法重建了 ∂⃖⃗g/∂vi 可对比估算、量子比特在高g-张量各向异性情况下的全向度调整，结果发现其与预期的Rabi频率以及g-张量磁共振影响相符，证明了这一理论推测的严密性。将相关结果与量子比特频率的灵敏度及噪声关系数据相互验证，进一步确认了一系列实验的有效性。
主要研究结果与贡献
- 重洞g-张量的各向异性确认：实验首次完整表征了受电场影响的重洞g-张量，揭示其具高度各向异性的特点。
- 由电场诱导的去相干及量子比特驱动机制：研究表明，qubit的去相干主要来源于g-张量通过电场的电调制，以及具预言性的伊辛型超精细相互作用效应，分析了充电噪声对量子的主要影响。
- 最佳工作点选择：在低磁场下操作量子比特可以显著提高其相干时间，同时即便在高温（>1 K）条件下仍保持高单量子比特门保真率（>99%）。
- 新材料使用建议：虽然德国锗量子阱材料的各向异性设限了部分应用理想工作点，但实际应用中，通过使用同位素净化(Germanium isotopic purification)技术，可以进一步优化性能，显著减少核噪声对量子比特的干扰。
结论与展望
本文通过系统性试验和数据分析，确定了在德国锗量子阱中的重洞自旋量子比特的各种物理特性和最佳操作点。这不仅为未来大规模、高保真度的量子比特列阵的设计提供了重要指导，还为开发更高效的量子比特驱动和保护机制提供了理论依据。未来通过进一步优化量子点材料和同位素净化技术，有望使量子比特的工作效率和稳定性得到大幅提升。