高い異方性ノイズ感度を持つゲルマニウムホールスピンキュービットのスイートスポット操作

2024-06-03 Mon
ゲルマニウムホールスピンキュービット異方性ノイズ量子ドットコヒーレンス時間量子情報処理
ドイツ重ホールスピン量子ビットの最適動作点およびその高異方性ノイズ感度背景と動機
量子コンピュータ（quantum computer）の発展は、複雑な問題の解決において非常に有望です。しかし、エラー耐性のある量子コンピュータを構築するには、高度にコヒーレントな大量の量子ビット（qubit）を統合する必要があります。スピン量子ビット、特にドイツゲルマニウム（Germanium, Ge）量子井戸のホール量子ビットは、その低ノイズ環境、高効率な制御および製造の難易度の低さにより、徐々に注目を集めています。しかし、これらの量子ビットを制御する過程で、電場によって引き起こされるg-テンソル（g-tensor）異方性によるデコヒーレンスおよび制御の課題に頻繁に直面します。
重ホール（heavy hole）のこれらのスピン量子ビットにおける役割は特に重要です。重ホールスピン量子ビットは迅速かつ高忠実度の操作が可能であり、電場を介して迅速に拡張可能な量子ビット制御を実現できます。しかし、量子ビットの駆動およびデコヒーレンスのメカニズムの本質や、そこから生じる異方性問題は完全には理解されていません。
論文の概要この論文はIBM Research Europe-ZurichとIBM Quantum, T. J. Watson Research Centerの科学者によって共同執筆されました。主な著者にはN. W. Hendrickx、L. Massai、M. Mergenthaler、F. J. Schupp、S. Paredes、S. W. Bedell、G. SalisおよびA. Fuhrerが含まれます。この研究は2024年に『Nature Materials』誌に発表され、ドイツゲルマニウムにおける重ホールスピン量子ビットの駆動メカニズムおよびデコヒーレンスメカニズムを探求しています。
研究プロセスおよび実験詳細本実験では、2つの量子ビットシステムを定義し、歪みゲルマニウム/シリコンゲルマニウム異質構造量子井戸内に制限されたホールスピンに基づいています。電荷センサーを用いて電荷安定図（charge stability diagram）を測定し、(1,1)電荷状態においてスピンブロッケード（Pauli spin blockade）読み出し試験を行い、|↓↓⟩および|↓↑⟩状態を区別しました。
重ホールg-テンソルの測定二次元歪みゲルマニウム量子井戸において重ホールと軽ホールバンドが分離されます。ホール波動関数中の重ホール成分はホールのg-テンソルに影響を与え、その結果高度に異方性を示します。このg-テンソルは回転対角3×3行列として記述され、重ホールg-テンソルの極めて大きな異方性が明らかにされ、サンプル成長方向zにほぼ整合し、それぞれ約30倍および180倍のgx’およびgy’を示すことが確認されました。
この異方性は、量子ビットの量子化軸が外部磁場と一致しない原因となります。この不一致は局所歪み勾配がg-テンソルに与える影響を反映しています。様々な方向からの電場による量子ビットの量子化軸への影響を評価した結果、g-テンソルが電場に非常に敏感であり、これにより電場の調整で量子ビットのLarmor周波数を大きく変化させられることが明らかになりました。
電場感度および全方位電場とノイズ相互作用の検証Hahnエコー実験を使用して、q2の周波数がゲート電極上の電位変化に対する感度を測定し、電場変動が平行（縦方向）に変化すると周波数変動がデコヒーレンスを引き起こし、垂直（横方向）に変化するとg-テンソル磁気共鳴で量子ビット操作を駆動することが判明しました。実験結果は様々な磁場方向に対する電場感度に基づいて、コヒーレンス時間が数量級以上に向上することを示しました。
実験結果のさらなる確認g-テンソル磁気共鳴法を用いて ∂⃖⃗g/∂vi を再構築し、対照的に推算し、高g-テンソル異方性の条件下で全方位調整を行ったところ、予想されるRabi周波数およびg-テンソル磁気共鳴の影響と一致することが確認され、この理論的予測の確実性が証明されました。関連する結果を量子ビット周波数の感度およびノイズ関係データと相互検証し、一連の実験の有効性をさらに確認しました。
主要な研究結果と貢献重ホールg-テンソルの異方性確認：実験は電場の影響を受ける重ホールg-テンソルを初めて完全に特性評価し、その高度な異方性を明らかにしました。
電場によって引き起こされるデコヒーレンスおよび量子ビット駆動メカニズム：研究は、量子ビットのデコヒーレンスの主要な原因が電場によるg-テンソルの調整および予測されるイジング型超細相互作用効果に由来することを示し、充電ノイズが量子に与える主要な影響を分析しました。
最適動作点の選択：低磁場下での量子ビット操作によりコヒーレンス時間が顕著に向上し、高温（>1 K）条件でも高い単量子ビットゲート忠実度（>99%）を維持することができます。
新材料の使用提案：ドイツゲルマニウム量子井戸材料の異方性が一部の理想的な動作点の適用を制限しますが、実際の応用では、同位体精製（Germanium isotopic purification）技術の使用により性能をさらに最適化し、核ノイズが量子ビットに与える干渉を大幅に減少させることができます。
結論と展望本論文は系統的な実験とデータ分析を通じて、ドイツゲルマニウム量子井戸における重ホールスピン量子ビットの様々な物理特性および最適動作点を特定しました。これは未来の大規模かつ高忠実度の量子ビットアレイの設計に向けた重要な指針を提供するだけでなく、より効率的な量子ビット駆動および保護メカニズムの開発に理論的な根拠を提供します。今後、量子ドット材料および同位体精製技術のさらなる最適化により、量子ビットの動作効率および安定性が大幅に向上することが期待されます。