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Jul 22, 2023

Accoppiamento longitudinale parametrico tra un alto

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4773 (2022) Cita questo articolo 3482 Accessi 6 Citazioni 2 Dettagli Altmetric Metrics L'accoppiamento di qubit a un risonatore superconduttore fornisce un meccanismo

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L'accoppiamento di qubit a un risonatore superconduttore fornisce un meccanismo per consentire operazioni di entanglement a lunga distanza in un computer quantistico basato sugli spin nei materiali semiconduttori. Qui, dimostriamo un accoppiamento spin-fotone controllabile basato su un'interazione longitudinale tra un qubit di spin e un risonatore. Mostriamo che l'accoppiamento di un qubit singoletto-tripletto a un risonatore superconduttore ad alta impedenza può produrre l'accoppiamento longitudinale desiderato quando il qubit viene portato vicino alla frequenza del risonatore. Misuriamo la suddivisione energetica del qubit in funzione dell'ampiezza e della frequenza di comando di un segnale a microonde applicato vicino all'antinodo del risonatore, rivelando effetti pronunciati vicini alla frequenza del risonatore dovuti all'accoppiamento longitudinale. Regolando l'ampiezza del drive si arriva ad un regime con accoppiamento longitudinale superiore a 1 MHz. Questo meccanismo per l'accoppiamento qubit-risonatore rappresenta un trampolino di lancio verso la produzione di porte a due qubit ad alta fedeltà mediate da un risonatore superconduttore.

Gli spin degli elettroni nei materiali semiconduttori, come l'arseniuro di gallio (GaAs) e il silicio, sono candidati promettenti per la realizzazione di un computer quantistico1,2,3,4,5. I loro lunghi tempi di coerenza e il controllo rapido consentono porte a qubit singolo ad alta fedeltà, raggiungendo circa il 99,95% nei qubit con spin a singolo elettrone6. Oltre ai qubit a spin singolo, hanno diverse varietà di qubit a spin multipli che comprendono spin multipli e punti quantici multipli, inclusi qubit ibridi, qubit di solo scambio e qubit a tripletta singola (S−T0)7,8,9. stato dimostrato. Questi qubit in genere hanno un maggiore accoppiamento alla carica, consentendo porte qubit veloci e controllate dalla tensione. Il qubit S−T0 è desiderabile grazie al suo ridotto accoppiamento con campi magnetici omogenei e ha raggiunto una fedeltà del gate di singolo qubit pari al 99,5%10. Sebbene le porte a due qubit siano state precedentemente dimostrate per questi qubit con una fedeltà di circa il 90%11, queste porte sono lente e si basano sull'accoppiamento del vicino più vicino, limitando la scalabilità. Molta attenzione è ora focalizzata sull'ottenimento di un accoppiamento a due qubit a lungo raggio, ad esempio, utilizzando array di punti quantici per il trasferimento di carica12,13,14,15 o un risonatore superconduttore adattando le tecniche QED del circuito (cQED), rendendo così gli spin degli elettroni un piattaforma scalabile per la tecnologia del calcolo quantistico.

Recentemente è stato dimostrato un ampio lavoro sull'implementazione delle tecniche cQED negli spin qubit16,17,18,19,20,21,22 e, nonostante i promettenti progressi23,24, una porta a due qubit non è stata ancora raggiunta. L’accoppiamento qubit-risonatore esplorato si basa sui forti campi elettrici prodotti da un risonatore, che si accoppiano al momento dipolare di un qubit di spin. Lo schema di accoppiamento più comunemente considerato è un accoppiamento trasversale tra spin e risonatore, in cui un'eccitazione del qubit di spin può essere scambiata con un'eccitazione del risonatore25. Ciò richiede che la suddivisione dell’energia del qubit sia vicina alla frequenza del risonatore e in genere porta a una durata inferiore a causa dell’effetto Purcell. Negli ultimi anni c’è stato quindi un crescente interesse verso schemi di accoppiamento alternativi basati su interazioni longitudinali, che non presentano queste limitazioni26,27,28,29,30,31,32. Gli spin qubit sono altamente suscettibili all'accoppiamento longitudinale, sebbene ciò non sia stato dimostrato sperimentalmente prima. In precedenti lavori teorici33, un tale schema di accoppiamento è stato esplorato per qubit singoletto-tripletto, prevedendo una fedeltà media di gate a due qubit incoraggiante del 96% e tempi di gate dell'ordine di 10 ns. Questo approccio, analogo al gate Mølmer–Sørensen34 comunemente utilizzato per i gate a due qubit ad alta fedeltà nei qubit con trappola ionica35,36, si basa su un'interazione puramente longitudinale tra lo spin e il risonatore per produrre un accoppiamento a due qubit.

In questo articolo, dimostriamo gli sforzi sperimentali volti a raggiungere l'accoppiamento longitudinale tra un qubit singoletto-tripletto (S−T0) e un risonatore superconduttore ad alta impedenza. Mostriamo che il nostro dispositivo ha un significativo accoppiamento longitudinale, sintonizzabile mediante un azionamento diretto, oltre a un accoppiamento dispersivo spurio fisso. Presentiamo una sequenza di misurazione che consente di separare ciascun termine di accoppiamento e misurare la forza di accoppiamento individuale. La sequenza sfrutta la straordinaria sensibilità del qubit, consentendoci di estrarre i parametri del risonatore e i punti di forza dell'accoppiamento qubit-risonatore. Regolando l'ampiezza dell'azionamento possiamo ottenere una forza di accoppiamento longitudinale che supera il termine dispersivo, che è un regime entusiasmante all'interno dei sistemi QED a circuito ibrido, nonché un importante trampolino di lancio verso la produzione di accoppiamento a due qubit mediato da un risonatore.