DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-024-02694-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39846006
تاريخ النشر: 2024-12-09
المؤلف: Jurgen Dijkema وآخرون
الموضوع الرئيسي: ظواهر النقل الكمي والإلكتروني
نظرة عامة
في هذا البحث، يظهر المؤلفون تفاعلًا متماسكًا بين اثنين من كيوبتات السبين شبه الموصلين مفصولين بمقدار 250 ميكرومتر، يسهل ذلك رنان فائق التوصيل. هذه المسافة تتجاوز بشكل كبير تلك الخاصة بآليات التفاعل المباشر التقليدية، مما يسمح بربط السبين بواسطة الفوتونات الافتراضية. تشير الدراسة إلى وجود تذبذبات مضادة الطور ملحوظة في تجمعات السبين، تتماشى مع تذبذبات iSWAP، مما يقترح أن العمليات المتشابكة يمكن تحقيقها في غضون 10 نانوثانية. تشير هذه النتائج إلى إمكانية إنشاء شبكات قابلة للتوسع من وحدات كيوبت السبين على شريحة.
مع النظر إلى المستقبل، يهدف المؤلفون إلى تعزيز عامل الجودة للتذبذبات من خلال تقليل عرض خط كيوبت الشحنة وزيادة قوة ربط السبين بالفوتون. يقترحون أن التحسينات في هذه المجالات يمكن أن تؤدي إلى دقة تزيد عن 99% في بوابات الكيوبتات الثنائية وعمليات الكيوبت الفردية عالية الدقة. تدعم البنية أيضًا التحكم في تردد السبين المحلي، مما يمكّن من ضبط ترددات الكيوبتات بشكل فردي واستكشاف آليات بوابة الكيوبتات الثنائية البديلة. هذا التقدم حاسم لتطوير شبكات على الشريحة من سجلات كيوبت السبين، مما يسهل دمج الإلكترونيات التقليدية ومعالجة تحديات الأسلاك، بينما يمهد الطريق لمحاكاة كمية تشمل درجات حرية مختلفة.
نقاش
في هذا القسم، يستكشف المؤلفون الكيوبتات ذات وضع التذبذب الموجودة في نهايات رنان، مشفرين إياها في حالات ذاتية محددة لتسهيل التلاعب عبر رنين السبين ثنائي القطب الكهربائي (EDSR). تظهر الدراسة التحكم في الزمن في نظام نقطة-رنان-نقطة، محققة تذبذبات iSWAP ثنائية الكيوبت بين كيوبتات السبين البعيدة. الكيوبتات، المرتبطة من خلال رنان فائق التوصيل من نوع NbTiN بطول 250 ميكرومتر، تظهر أوقات تماسك تتراوح من 100 نانوثانية إلى 260 نانوثانية للاسترخاء ($T_1$) ومن 40 نانوثانية إلى 80 نانوثانية للتشويش ($T^*_2$)، والتي تحددها الهجينة القوية بين السبين والشحنة وضوضاء الشحنة.
الجهاز، المصنوع على هيكل هجين من Si/SiGe، يتميز برنان فائق التوصيل ونقاط كمومية مزدوجة (DQDs) التي تمكن من قراءة السبين المتناثرة والربط بعيد المدى. يستنتج المؤلفون هاملتونيان ربط السبين المتناثر، الذي يحكم تذبذبات iSWAP الملاحظة بين الكيوبتات. تتأثر قوة التفاعل بربط السبين بالفوتون والانزياح، مع إظهار النتائج التجريبية ترددات تذبذبات تختلف مع هذه المعلمات. تُقدّر دقة العملية المتشابكة بـ 83.1%، مما يبرز الإمكانية لتحسين أداء الكيوبتات من خلال تعزيز ربط السبين بالفوتون وتحسين بنية الجهاز، مما يمهد الطريق لشبكات كمية قابلة للتوسع.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-024-02694-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39846006
Publication Date: 2024-12-09
Author(s): Jurgen Dijkema et al.
Primary Topic: Quantum and electron transport phenomena
Overview
In this research, the authors demonstrate a coherent interaction between two semiconductor spin qubits separated by 250 μm, facilitated by a superconducting resonator. This distance significantly exceeds that of conventional direct interaction mechanisms, allowing for spin-spin coupling mediated by virtual photons. The study reports observable anti-phase oscillations of the spin populations, consistent with iSWAP oscillations, suggesting that entangling operations can be achieved within 10 ns. These findings indicate potential for scalable networks of spin qubit modules on a chip.
Looking ahead, the authors aim to enhance the quality factor of the oscillations by reducing the charge qubit linewidth and increasing the spin-photon coupling strength. They propose that improvements in these areas could lead to over 99% fidelity in two-qubit gates and high-fidelity single-qubit operations. The architecture also supports local spin-frequency control, enabling individual tuning of qubit frequencies and exploration of alternative two-qubit gate mechanisms. This advancement is pivotal for developing on-chip networks of spin qubit registers, facilitating the integration of classical electronics and addressing wiring challenges, while also paving the way for quantum simulations involving various degrees of freedom.
Discussion
In this section, the authors investigate flopping-mode qubits situated at the ends of a resonator, encoding them in specific eigenstates to facilitate manipulation via electric-dipole spin resonance (EDSR). The study demonstrates time-domain control of a dot-resonator-dot system, achieving two-qubit iSWAP oscillations between distant spin qubits. The qubits, coupled through a 250-μm-long superconducting NbTiN resonator, exhibit coherence times ranging from 100 ns to 260 ns for relaxation ($T_1$) and 40 ns to 80 ns for dephasing ($T^*_2$), which are limited by strong spin-charge hybridization and charge noise.
The device, fabricated on a Si/SiGe heterostructure, features a superconducting resonator and double quantum dots (DQDs) that enable dispersive spin readout and long-range coupling. The authors derive a dispersive spin-spin coupling Hamiltonian, which governs the iSWAP oscillations observed between the qubits. The interaction strength is influenced by spin-photon coupling and detuning, with experimental results showing oscillation frequencies that vary with these parameters. The fidelity of the entangling operation is estimated at 83.1%, highlighting the potential for improved qubit performance through enhanced spin-photon coupling and optimized device architecture, paving the way for scalable quantum networks.