Fonctionnement au point optimal d'un qubit de spin à trou de germanium avec une sensibilité au bruit fortement anisotrope

Point de travail optimal des qubits quantiques à spin de trous lourds dans le Germanium et leur haute sensibilité au bruit anisotrope

Contexte et Motivation

Le développement des ordinateurs quantiques (quantum computer) ouvre des perspectives considérables pour résoudre des problèmes complexes. Néanmoins, la construction d’un ordinateur quantique tolérant aux fautes nécessite l’intégration d’un grand nombre de qubits (qubits) avec une grande cohérence. Les qubits de spin, en particulier ceux basés sur des qubits de trous dans des puits quantiques de Germanium (Ge), attirent de plus en plus l’attention en raison de leur faible niveau de bruit, leur contrôle efficace et leur faible complexité de fabrication. Cependant, lors de la manipulation de ces qubits, on rencontre souvent des problèmes de décohérence et de contrôle causés par l’anisotropie du tenseur g induite par le champ électrique.

Il est notable que le rôle des trous lourds (heavy holes) dans ces qubits de spin est particulièrement important. Les qubits de spin de trous lourds permettent non seulement des opérations rapides et de haute fidélité, mais aussi une manipulation rapide et évolutive des qubits grâce au champ électrique. Cependant, la nature des mécanismes de pilotage et de décohérence des qubits, ainsi que les problèmes d’anisotropie qui en résultent, ne sont pas encore entièrement compris.

Aperçu de l’article

Cet article est rédigé conjointement par des scientifiques d’IBM Research Europe-Zurich et d’IBM Quantum, T. J. Watson Research Center. Les principaux auteurs comprennent N. W. Hendrickx, L. Massai, M. Mergenthaler, F. J. Schupp, S. Paredes, S. W. Bedell, G. Salis, et A. Fuhrer. Publiée en 2024 dans la revue Nature Materials, cette recherche explore les mécanismes de pilotage et de décohérence des qubits de spin de trous lourds dans le Germanium.

Méthodologie de Recherche et Détails Expérimentaux

L’expérience définissait un système contenant deux qubits, basé sur les spins des trous confinés dans un puits quantique hétérostructure Germanium/Silicium-Germanium sous contrainte. En mesurant le diagramme de stabilité de charge à l’aide d’un capteur de charge et en effectuant une lecture du blocage de spin de Pauli dans un état de charge (1,1), nous avons pu distinguer les états |↓↓⟩ et |↓↑⟩.

Mesure du Tenseur g des Trous Lourds

Les trous étant confinés dans le puits quantique bidimensionnel de Germanium sous contrainte, les bandes de trous lourds et légers étaient séparées. La composante de trou lourd dans la fonction d’onde du trou affecte le tenseur g, le rendant hautement anisotrope. Ce tenseur g peut être décrit par une matrice diagonale 3×3 en rotation, révélant une anisotropie extrêmement élevée. On montre que le tenseur g des trous lourds est presque aligné selon la direction z de la croissance de l’échantillon, environ 30 fois et 180 fois respectivement pour gx’ et gy’.

Cette anisotropie fait que l’axe de quantification du qubit ne s’aligne pas avec le champ magnétique appliqué, ce qui reflète l’influence du gradient de contrainte local sur le tenseur g. L’évaluation de l’impact de champs électriques appliqués dans différentes directions autour de l’axe de quantification du qubit révèle que le tenseur g est particulièrement sensible au champ électrique, ce qui permet de moduler largement la fréquence de Larmor du qubit par le champ électrique.

Sensibilité au Champ Électrique et Validation de l’Interaction Champ-Bruit Omnidirectional

En utilisant une expérience d’écho de Hahn, nous avons mesuré la sensibilité de la fréquence q2 aux variations du potentiel sur l’électrode de grille. Nous avons constaté que lorsque ces variations de champ électrique sont parallèles (longitudinales), elles entraînent une décohérence en changeant la fréquence, tandis que pour les variations perpendiculaires (transversales), elles conduisent à la manipulation des qubits via la résonance magnétique du tenseur g. Les résultats expérimentaux montrent qu’en fonction de la sensibilité au champ électrique dans toutes les directions du champ magnétique, le temps de cohérence est considérablement augmenté de plusieurs ordres de grandeur.

Confirmation Supplémentaire des Résultats Expérimentaux

En utilisant la résonance magnétique du tenseur g, nous avons reconstruit ∂⃖⃗g/∂vi pour des estimations comparatives et des ajustements omnidirectionnels des qubits dans les conditions d’une haute anisotropie du tenseur g. Les résultats correspondent aux fréquences de Rabi attendues ainsi qu’aux effets de la résonance magnétique du tenseur g, validant ainsi la rigueur de cette hypothèse théorique. En comparant les résultats de sensibilité de la fréquence du qubit aux données de bruit, nous avons confirmé l’efficacité d’une série d’expériences.

Résultats et Contributions Principaux

1. Confirmation de l’anisotropie du tenseur g des trous lourds : Nous avons pour la première fois caractérisé complètement l’anisotropie du tenseur g des trous lourds sous l’influence du champ électrique.
2. Mécanismes de décohérence et de pilotage induits par le champ électrique : L’étude montre que la décohérence des qubits provient principalement de la modulation électrique du tenseur g et des effets hyperfins Ising. Elle analyse aussi les impactes majeurs du bruit de charge sur les qubits.
3. Sélection de l’optimum de travail : Travailler avec les qubits à faible champ magnétique peut augmenter significativement leur temps de cohérence tout en maintenant une haute fidélité des portes quantiques (supérieure à 99%) même à des températures élevées (>1 K).
4. Recommandations pour de nouveaux matériaux : Bien que les propriétés anisotropes des puits quantiques de Germanium limitent les points de travail idéaux pour certaines applications, l’utilisation de la purification isotopique du Germanium peut optimiser plus efficacement les performances et réduire significativement le bruit nucléaire interférant avec les qubits.

Conclusions et Perspectives

Par des expériences systématiques et une analyse des données, cet article a déterminé les différentes propriétés physiques et les points de travail optimal des qubits de spin de trous lourds dans des puits quantiques de Germanium. Cela fournit non seulement des indications cruciales pour la conception de réseaux de qubits à haute fidélité et à grande échelle, mais offre aussi une base théorique pour le développement de mécanismes de pilotage et de protection plus efficaces des qubits. À l’avenir, l’optimisation des matériaux des points quantiques et de la technique de purification isotopique permettra d’espérer une amélioration significative de l’efficacité et de la stabilité des qubits.