ブログ

Jul 22, 2023

高音域間のパラメトリック縦方向結合

Nature Communications volume 13、記事番号: 4773 (2022) この記事を引用する 3482 アクセス数 6 引用数 2 Altmetric Metrics の詳細 超伝導共振器に量子ビットを結合すると、メカニズムが提供されます。

Nature Communications volume 13、記事番号: 4773 (2022) この記事を引用

3482 アクセス

6 引用

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

量子ビットを超伝導共振器に結合すると、半導体材料のスピンに基づいて量子コンピューターで長距離エンタングル演算を可能にするメカニズムが提供されます。 ここでは、スピン量子ビットと共振器の間の縦方向相互作用に基づく、制御可能なスピン-光子結合を実証します。 我々は、一重項-三重項量子ビットを高インピーダンス超伝導共振器に結合すると、量子ビットが共振器の周波数付近で駆動されるときに望ましい縦結合を生成できることを示します。 共振器の腹の近くに印加されたマイクロ波信号の駆動振幅と周波数の関数として量子ビットのエネルギー分割を測定し、縦結合による共振器周波数付近の顕著な影響を明らかにしました。 ドライブの振幅を調整することにより、1 MHz を超える縦方向結合の領域に到達します。 量子ビットと共振器の結合に関するこのメカニズムは、超伝導共振器を介した高忠実度の 2 量子ビット ゲートの生成への足がかりとなります。

ガリウムヒ素 (GaAs) やシリコンなどの半導体材料中の電子スピンは、量子コンピューターを実現するための有望な候補です 1、2、3、4、5。 長いコヒーレンス時間と高速制御により、単一電子スピン量子ビットで最大 99.95 % に達する高忠実度の単一量子ビット ゲートが可能になります6。 シングルスピン量子ビットに加えて、ハイブリッド量子ビット、交換専用量子ビット、一重項三重項量子ビット (S−T0)7、8、9 など、複数のスピンと複数の量子ドットで構成されるいくつかの種類のスピン量子ビットには、実証された。 これらの量子ビットは通常、電荷への結合が増加しており、高速な電圧制御量子ビット ゲートが可能になります。 S-T0 量子ビットは、均一な磁場への結合が低減されているため望ましいものであり、99.5% の単一量子ビット ゲート忠実度を達成しています10。 これらの量子ビットに対して 2 量子ビット ゲートは以前に ~90% の忠実度で実証されています 11 が、これらのゲートは遅く、最近傍結合に依存しているため、スケーラビリティが制限されています。 現在、長距離の 2 量子ビット結合の実現に多くの注目が集まっています。たとえば、電荷転送に量子ドットのアレイを使用したり、回路 QED (cQED) 技術を適用して超伝導共振器を使用したりして、電子スピンを量子コンピューティング技術のためのスケーラブルなプラットフォーム。

スピン量子ビットにおける cQED 技術の実装に関する広範な研究が最近実証されており 16、17、18、19、20、21、22、有望な進歩にもかかわらず 23、24、2 量子ビット ゲートはまだ達成されていません。 調査された量子ビットと共振器の結合は、共振器によって生成される強い電場に依存しており、この強い電場はスピン量子ビットの双極子モーメントに結合します。 最も一般的に考慮される結合方式は、スピンと共振器の間の横結合であり、スピン量子ビットの励起を共振器の励起と交換することができます25。 これには、量子ビットのエネルギー分割が共振器周波数の近くである必要があり、通常はパーセル効果により寿命が短くなります。 したがって、近年、これらの制限のない縦方向相互作用に基づく代替結合スキームへの関心が高まっています26、27、28、29、30、31、32。 これまで実験的に実証されたことはありませんが、スピン量子ビットは縦方向結合の影響を非常に受けやすいです。 以前の理論的研究 33 では、このような結合スキームが一重項 - 三重項量子ビットについて調査され、96% の平均 2 量子ビットのゲート忠実度および 10 ns 程度のゲート時間が期待できることが予測されました。 このアプローチは、イオントラップ量子ビット 35,36 の高忠実度 2 量子ビット ゲートに一般的に使用されるモルマー・ソーレンセン ゲート 34 に類似しており、スピンと共振器間の純粋な縦方向の相互作用に依存して 2​​ 量子ビット結合を生成します。

この記事では、一重項三重項 (S−T0) 量子ビットと高インピーダンス超伝導共振器の間の縦方向結合の実現に向けた実験の取り組みを示します。 私たちのデバイスには、固定されたスプリアス分散結合に加えて、直接ドライブによって調整可能な重要な縦方向結合があることを示します。 我々は、各結合項を分離し、それらの個々の結合強度を測定できる測定シーケンスを提示します。 このシーケンスは量子ビットの絶妙な感度を利用しており、共振器パラメータだけでなく量子ビットと共振器の結合強度も抽出することができます。 駆動振幅を調整することで、分散項を超える縦方向の結合強度を達成できます。これは、ハイブリッド回路 QED システム内の刺激的な領域であると同時に、共振器を介した 2 量子ビット結合の生成に向けた重要な足がかりでもあります。