Decoherence, backaction and noise in two-electron spin qubits in GaAs quantum dots

Bethke, Patrick; Bluhm, Jörg (Thesis advisor); Hassler, Fabian (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Vielen offenen technischen und wissenschaftlichen Fragen im Bereich der Qubits liegt das Konzept der Dekohärenz zugrunde. Bei Spin-Qubits in Halbleitern sind die wichtigsten Dekohärenzkanäle das magnetische Spin-Rauschen von nahegelegenen Kernspins und Ladungsrauschen im Wirtskristall, das über eine Modifikation der Austauschwechselwirkung an das Qubit koppelt. In dieser Arbeit untersuchen wir Aspekte dieser verschiedenen Facetten von Rauschen und Dekohärenz anhand eines Qubits, das im Spinzustand zweier Elektronen in einem Doppelquantenpunkt in GaAs kodiert ist. Dekohärenz beschreibt den Informationsverlust eines Quantensystems durch Interaktion mit seiner Umgebung. Umgebungen mit einer großen Anzahl von schwach gekoppelten Freiheitsgraden, wie z. B. ein Elektronenspin, der von einer großen Anzahl von Kernspins umgeben ist, werden üblicherweise näherungsweise durch ein klassisches, fluktuierendes Feld beschrieben, dessen Dynamik vom Zustand des Qubits unabhängig ist. Eine vollständige Quantenbeschreibung impliziert jedoch eine Rückwirkung des Qubits auf die Umgebung, die die Näherung nicht abbildet. Wir präsentieren experimentelle Belege für eine solche Rückwirkung in einem Elektronen-Spin-Qubit in GaAs, das schwach mit einer mesoskopischen Umgebung von etwa $10^6$ Kernspins gekoppelt ist. Mit einem Korrelationsmessschema weisen wir die Rückwirkung einer einzelnen Qubit-Umgebungs-Wechselwirkung nach, deren Dauer mit der Kohärenzzeit des Qubits vergleichbar ist. Wir lassen das Qubit wiederholt mit dem Spinbad wechselwirken und messen so den Zustand des Bades. Zwischen diesen Zyklen wird das Qubit in verschiedenen Zustände reinitialisiert. Die Korrelationen der Messergebnisse werden durch den Zwischenzustand des Qubits stark beeinflusst, was auf die Wirkung eines einzelnen Elektronenspins auf das Kernspinbad hinweist. Die Austauschwechselwirkung ist für die Quantenkontrolle von Elektronenspin-Qubits von entscheidender Bedeutung. Für hochgenaue Quantengatter ist ein tiefes Verständnis ihres Verhaltens in zweierlei Hinsicht entscheidend: Erstens ist ein genaues Modell der Reaktion auf eine Änderung der Steuerspannung, wie z. B. das Detuning eines Doppel-Quantenpunkts, erforderlich, um geeignete Kontrollpulse zu entwickeln. Zweitens definiert das genaue Verhalten der Austauschwechselwirkung die Empfindlichkeit von Spin-Qubits für Ladungsrauschen. Mit einer Kombination verschiedener Techniken charakterisieren wir die Austauschwechselwirkung in einem Doppel-Quantenpunkt über drei Größenordnungen und einen großen Bereich im Detuning und entwickeln ein erweitertes Hubbard-Modell, dass die Beobachtungen qualitativ reproduziert. Die Dephasierung von Qubits aufgrund von Ladungsrauschen, das durch Fluktuationen in der Stärke der Austauschwechselwirkung vermittelt wird, ist ein limitierender Faktor bei der Implementierung von Quantengattern mit hoher Genauigkeit für die Qubit-Kontrolle - nicht nur in GaAs, sondern auch in Systemen auf Siliziumbasis. Die spektralen Eigenschaften des Ladungsrauschens in einem System enthalten dabei wertvolle Hinweise über seinen physikalischen Ursprung. Bis in den niedrigen MHz-Bereich kann das Spektrum durch direkte Messung oder indirekt aus der Qubit-Dekohärenz unter dynamischer Entkopplung charakterisiert werden. Das Spektrum bei höheren Frequenzen ist eine offene Frage. Wir adaptieren zwei Methoden der Spektroskopie aus dem Gebiet der Kernspinresonanz und setzen unser Qubit als Spektrometer für das Ladungsrauschen ein, indem wir die Dekohärenz aufgrund der longitudinalen Relaxation im Labor- oder rotierenden Bezugssystem betrachten. Dadurch wird ein neuer Frequenzbereich in der Größenordnung von einigen 100 MHz für die Spektrometrie zugänglich, gegeben durch die Energiedifferenz der Qubit-Basiszustände. Wir präsentieren Abschätzungen und erste experimentelle Ergebnisse für ein angepasstes Inversionsrückgewinnungsschema für das $S$-$T_0$-Qubit in GaAs.

Einrichtungen

  • Fachgruppe Physik [130000]
  • Lehrstuhl für Experimentalphysik und II. Physikalisches Institut [132210]

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