Blog

Jul 22, 2023

Couplage longitudinal paramétrique entre un haut

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4773 (2022) Citer cet article 3482 Accès 6 Citations 2 Détails d'Altmetric Metrics Le couplage de qubits à un résonateur supraconducteur fournit un mécanisme

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4773 (2022) Citer cet article

3482 Accès

6 citations

2 Altmétrique

Détails des métriques

Le couplage de qubits à un résonateur supraconducteur fournit un mécanisme permettant des opérations d'intrication à longue distance dans un ordinateur quantique basées sur les spins de matériaux semi-conducteurs. Ici, nous démontrons un couplage spin-photon contrôlable basé sur une interaction longitudinale entre un qubit de spin et un résonateur. Nous montrons que le couplage d'un qubit singulet-triplet à un résonateur supraconducteur à haute impédance peut produire le couplage longitudinal souhaité lorsque le qubit est piloté à proximité de la fréquence du résonateur. Nous mesurons la division de l'énergie du qubit en fonction de l'amplitude et de la fréquence d'entraînement d'un signal micro-onde appliqué près du ventre du résonateur, révélant des effets prononcés proches de la fréquence du résonateur en raison du couplage longitudinal. En réglant l'amplitude du drive, on atteint un régime avec couplage longitudinal dépassant 1 MHz. Ce mécanisme de couplage qubit-résonateur représente un tremplin vers la production de portes à deux qubits haute fidélité médiées par un résonateur supraconducteur.

Les spins électroniques dans les matériaux semi-conducteurs, tels que l'arséniure de gallium (GaAs) et le silicium, sont des candidats prometteurs pour la réalisation d'un ordinateur quantique1,2,3,4,5. Leurs temps de cohérence longs et leur contrôle rapide permettent des portes à qubit unique haute fidélité, atteignant ~ 99,95 % dans les qubits de spin à électron unique6. En plus des qubits à spin unique, plusieurs variétés de qubits à spin composés de plusieurs spins et de plusieurs points quantiques, notamment les qubits hybrides, les qubits d'échange uniquement et les qubits singulet-triplet (S−T0)7,8,9, ont été démontrée. Ces qubits ont généralement un couplage accru pour charger, permettant des portes de qubits rapides et contrôlées en tension. Le qubit S−T0 est souhaitable en raison de son couplage réduit à des champs magnétiques homogènes et a atteint des fidélités de porte à qubit unique de 99,5 %10. Bien que des portes à deux qubits aient déjà été démontrées pour ces qubits avec une fidélité d'environ 90 %11, ces portes sont lentes et reposent sur le couplage du voisin le plus proche, ce qui limite l'évolutivité. Une grande attention est désormais portée à la réalisation d'un couplage à deux qubits à longue portée, par exemple en utilisant des réseaux de points quantiques pour le transfert de charge12,13,14,15 ou un résonateur supraconducteur en adaptant les techniques de circuit QED (cQED), faisant ainsi des spins électroniques un plate-forme évolutive pour la technologie informatique quantique.

Des travaux approfondis sur la mise en œuvre des techniques cQED dans les qubits de spin ont récemment été démontrés16,17,18,19,20,21,22 et malgré des progrès prometteurs23,24, une porte à deux qubits n'a pas encore été réalisée. Le couplage qubit-résonateur exploré repose sur les forts champs électriques produits par un résonateur, qui se couplent au moment dipolaire d'un qubit de spin. Le schéma de couplage le plus couramment considéré est un couplage transversal entre le spin et le résonateur, dans lequel une excitation du qubit de spin peut être échangée contre une excitation du résonateur25. Cela nécessite que la division de l'énergie des qubits soit proche de la fréquence du résonateur et conduit généralement à des durées de vie inférieures en raison de l'effet Purcell. Ces dernières années, on a donc constaté un intérêt croissant pour les schémas de couplage alternatifs basés sur des interactions longitudinales, qui ne présentent pas ces limitations26,27,28,29,30,31,32. Les qubits de spin se prêtent très bien au couplage longitudinal, bien que cela n'ait pas été démontré expérimentalement auparavant. Dans des travaux théoriques antérieurs33, un tel schéma de couplage a été exploré pour les qubits singulet-triplet, prédisant des fidélités de porte moyennes encourageantes à deux qubits de 96 % et des temps de porte de l'ordre de 10 ns. Cette approche, analogue à la porte Mølmer – Sørensen34 qui est couramment utilisée pour les portes à deux qubits haute fidélité dans les qubits de pièges à ions35,36, repose sur une interaction purement longitudinale entre le spin et le résonateur pour produire un couplage à deux qubits.

Dans cet article, nous démontrons les efforts expérimentaux visant à réaliser un couplage longitudinal entre un qubit singulet-triplet (S−T0) et un résonateur supraconducteur à haute impédance. Nous montrons que notre dispositif possède un couplage longitudinal important, réglable par un entraînement direct, en plus d'un couplage dispersif parasite fixe. Nous présentons une séquence de mesure qui permet de séparer chaque terme de couplage et de mesurer leurs forces de couplage individuelles. La séquence tire parti de la sensibilité exquise du qubit, nous permettant d'extraire les paramètres du résonateur ainsi que les forces de couplage qubit-résonateur. En ajustant l'amplitude d'entraînement, nous pouvons obtenir une force de couplage longitudinal qui dépasse le terme dispersif, ce qui est un régime passionnant dans les systèmes QED à circuits hybrides ainsi qu'un tremplin important vers la production d'un couplage à deux qubits médié par un résonateur.