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Jul 22, 2023

Acoplamento longitudinal paramétrico entre um alto

Nature Communications volume 13, número do artigo: 4773 (2022) Citar este artigo 3482 Acessos 6 citações 2 Detalhes de métricas altmétricas O acoplamento de qubits a um ressonador supercondutor fornece um mecanismo

Nature Communications volume 13, número do artigo: 4773 (2022) Citar este artigo

3482 acessos

6 citações

2 Altmétrico

Detalhes das métricas

O acoplamento de qubits a um ressonador supercondutor fornece um mecanismo para permitir operações de emaranhamento de longa distância em um computador quântico baseado em spins em materiais semicondutores. Aqui, demonstramos um acoplamento spin-fóton controlável baseado em uma interação longitudinal entre um qubit de spin e um ressonador. Mostramos que o acoplamento de um qubit singleto-tripleto a um ressonador supercondutor de alta impedância pode produzir o acoplamento longitudinal desejado quando o qubit é acionado próximo à frequência do ressonador. Medimos a divisão de energia do qubit em função da amplitude e frequência de acionamento de um sinal de micro-ondas aplicado próximo ao antinodo do ressonador, revelando efeitos pronunciados próximos à frequência do ressonador devido ao acoplamento longitudinal. Ajustando a amplitude do drive, chegamos a um regime com acoplamento longitudinal superior a 1 MHz. Este mecanismo para acoplamento qubit-ressonador representa um trampolim para a produção de portas de dois qubit de alta fidelidade mediadas por um ressonador supercondutor.

Os spins de elétrons em materiais semicondutores, como arsenieto de gálio (GaAs) e silício, são candidatos promissores para a realização de um computador quântico . Seus longos tempos de coerência e controle rápido permitem portas de qubit único de alta fidelidade, atingindo ~99,95% em qubits de spin de elétron único6. Além dos qubits de spin único, diversas variedades de qubits de spin que são compostos de múltiplos spins e múltiplos pontos quânticos, incluindo qubits híbridos, qubits somente de troca e qubits singleto-tripleto (S-T0)7,8,9, têm sido demonstrado. Esses qubits normalmente têm maior acoplamento para carregar, permitindo portas qubit rápidas e controladas por tensão. O qubit S-T0 é desejável devido ao seu acoplamento reduzido a campos magnéticos homogêneos e alcançou fidelidades de porta de qubit único de 99,5%10. Embora portas de dois qubits tenham sido demonstradas anteriormente para esses qubits com uma fidelidade de ~90%11, essas portas são lentas e dependem do acoplamento do vizinho mais próximo, limitando a escalabilidade. Muita atenção está agora focada em alcançar o acoplamento de dois qubits de longo alcance, por exemplo, usando matrizes de pontos quânticos para transferência de carga ou um ressonador supercondutor adaptando técnicas de circuito QED (cQED), tornando assim os spins de elétrons um plataforma escalável para tecnologia de computação quântica.

Um extenso trabalho na implementação de técnicas cQED em spin qubits foi recentemente demonstrado 16,17,18,19,20,21,22 e, apesar do progresso promissor 23,24, uma porta de dois qubits ainda não foi alcançada. O acoplamento qubit-ressonador explorado depende dos fortes campos elétricos produzidos por um ressonador, que se acoplam ao momento dipolar de um qubit de spin. O esquema de acoplamento mais comumente considerado é um acoplamento transversal entre o spin e o ressonador, onde uma excitação do qubit de spin pode ser trocada por uma excitação do ressonador . Isso requer que a divisão de energia do qubit esteja próxima da frequência do ressonador e normalmente leva a tempos de vida mais baixos devido ao efeito Purcell. Nos últimos anos, tem havido, portanto, um interesse crescente em esquemas alternativos de acoplamento baseados em interações longitudinais, que não apresentam essas limitações26,27,28,29,30,31,32. Os qubits de spin são altamente receptivos ao acoplamento longitudinal, embora isso não tenha sido demonstrado experimentalmente antes. Em trabalhos teóricos anteriores33, tal esquema de acoplamento foi explorado para qubits singleto-tripleto, prevendo fidelidades médias de porta de dois qubit encorajadoras de 96% e tempos de porta da ordem de 10 ns. Esta abordagem, análoga à porta Mølmer-Sørensen34 que é comumente usada para portas de dois qubits de alta fidelidade em qubits de armadilha de íons35,36, depende de uma interação puramente longitudinal entre o spin e o ressonador para produzir um acoplamento de dois qubits.

Neste artigo, demonstramos esforços experimentais para alcançar o acoplamento longitudinal entre um qubit singleto-tripleto (S − T0) e um ressonador supercondutor de alta impedância. Mostramos que nosso dispositivo possui acoplamento longitudinal significativo, sintonizável por acionamento direto, além de acoplamento dispersivo espúrio fixo. Apresentamos uma sequência de medição que permite separar cada termo de acoplamento e medir suas forças de acoplamento individuais. A sequência aproveita a sensibilidade requintada do qubit, permitindo-nos extrair parâmetros do ressonador, bem como forças de acoplamento qubit-ressonador. Ao ajustar a amplitude do drive, podemos alcançar uma força de acoplamento longitudinal que excede o termo dispersivo, que é um regime excitante dentro de sistemas QED de circuito híbrido, bem como um importante trampolim para a produção de acoplamento de dois qubits mediado por um ressonador.