Coherence and high fidelity control of two-electron spin qubits in GaAs quantum dots

  • Kohärenz und hochpräzise Kontrolle von Zweielektronen-Spinqubits in GaAs Quantenpunkten

Botzem, Tim; Bluhm, Jörg Hendrik (Thesis advisor); Kuemmeth, Ferdinand (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Elektronen-Spinqubits in GaAs-Quantenpunkten sind eine der etabliertesten und am besten verstandenen Qubitsysteme. Lange Kohärenzzeiten aufgrund der geringenWechselwirkung mit der Umgebung, und gute elektrische Kontrolle der Halbleiterstruktur haben dafür gesorgt, dass viele der Schlüsselkonzepte und -operationen für Qubitserfolgreich im Experiment gezeigt werden konnten. Darunter fallen die Initialisierung und Auslese des Elektronenspins, die universelle Kontrolle des Spinzustands und ZweiQubit-Operationen. Weiterhin bieten Halbleiter-Spinqubits einen Ansatz für QuantenComputing im Festkörper an, dessen Skalierbarkeit von der aktuellen Halbleiterproduktions-technologie profitiert. Obwohl gering, verkompliziert die Wechselwirkung mit den Kernspins der GaAs-Halbleiterstruktur nicht nur die Lebensdauer des Qubits, sondern auch die präzise Kontrolle des Elektronenspins. Da lange Kohärenzzeiten und hohe Kontrollfidelitäten wichtige Voraussetzungen für Quantum-Computing sind, stehen Experimente, die diese Parameter für das Zweielektronen-Spinqubit in GaAs untersuchen und optimieren, im Fokus dieser Promotionsarbeit. Interessante Effekte entstehen durch die Quadrupol-Wechselwirkung zwischen Kernspins und elektrischen Feldgradienten in der Probe. In dieser Arbeit zeigen wir experimentell, dass eine Quadrupolverbreiterung der Kernspin-Larmorfrequenzen die elektronische Kohärenzzeit reduziert. Dieser Effekt kann durch eine geeignete Wahl des externen Magnetfeldes unterdrückt werden, allerdings wird eine zusätzliche Modulation des Kohärenzverlaufs entlang dieser Feldrichtung beobachtet, die wir mit einer Anisotropie des g-Faktors erklären. Diese Ergebnisse vervollständigen unser Verständnis über die Dephasierungsmechanismen des Elektronenspins in GaAs und weisen auf Möglichkeiten hin, beide Effekte gleichzeitig zu minimieren. Hochpräzise Einzelqubitoperationen sind eine wichtige Voraussetzung für Quanten Computing, die bisher noch nicht experimentell realisiert wurde. Wir realisierensolche präzise Operationen, indem wir die elektrischen Kontrollpulse in einer iterativen Regelschleife am Experiment optimieren. Wir zeigen mit Randomized BenchmarkingKontrollfidelitäten von F = (98,5 ± 0,1) % und bestimmen die Leckrate aus der und in die Qubit-Basis zu L = (0,4 ± 0,1) %. Dieses Ergebnis demonstriert, dass hochpräziseEinzelqubitoperationen auch in Anwesenheit von Kernspins möglich sind. Das Potenzial und die Effizienz eines Polarisationschemas, welches auf der elektrischen Dipolspinresonanz basiert und das Kernspinmagnetfeld kontrollieren soll, wird in einem weiteren Teil der Arbeit experimentell untersucht. Wir finden und identifizieren die beiden Kernspinresonanzen der zwei Elektronen im Doppelquantenpunkt und analysieren den Einfluss auf das Kernmagnetfeld durch bewusstes Treiben dieserÜbergänge.

Identifikationsnummern