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锗量子点中空穴自旋量子比特的超快相干控制

Ultrafast coherent control of a hole spin qubit in a germanium quantum dot.

作者信息

Wang Ke, Xu Gang, Gao Fei, Liu He, Ma Rong-Long, Zhang Xin, Wang Zhanning, Cao Gang, Wang Ting, Zhang Jian-Jun, Culcer Dimitrie, Hu Xuedong, Jiang Hong-Wen, Li Hai-Ou, Guo Guang-Can, Guo Guo-Ping

机构信息

CAS Key Laboratory of Quantum Information, University of Science and Technology of China, 230026, Hefei, Anhui, China.

CAS Center for Excellence and Synergetic Innovation Center in Quantum Information and Quantum Physics, University of Science and Technology of China, 230026, Hefei, Anhui, China.

出版信息

Nat Commun. 2022 Jan 11;13(1):206. doi: 10.1038/s41467-021-27880-7.

DOI:10.1038/s41467-021-27880-7
PMID:35017522
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8752786/
Abstract

Operation speed and coherence time are two core measures for the viability of a qubit. Strong spin-orbit interaction (SOI) and relatively weak hyperfine interaction make holes in germanium (Ge) intriguing candidates for spin qubits with rapid, all-electrical coherent control. Here we report ultrafast single-spin manipulation in a hole-based double quantum dot in a germanium hut wire (GHW). Mediated by the strong SOI, a Rabi frequency exceeding 540 MHz is observed at a magnetic field of 100 mT, setting a record for ultrafast spin qubit control in semiconductor systems. We demonstrate that the strong SOI of heavy holes (HHs) in our GHW, characterized by a very short spin-orbit length of 1.5 nm, enables the rapid gate operations we accomplish. Our results demonstrate the potential of ultrafast coherent control of hole spin qubits to meet the requirement of DiVincenzo's criteria for a scalable quantum information processor.

摘要

操作速度和相干时间是量子比特可行性的两个核心指标。强自旋轨道相互作用(SOI)和相对较弱的超精细相互作用使锗(Ge)中的空穴成为具有快速全电相干控制的自旋量子比特的有趣候选者。在此,我们报告了在锗棚线(GHW)中的基于空穴的双量子点中的超快单自旋操纵。在强SOI的介导下,在100 mT的磁场中观察到超过540 MHz的拉比频率,创下了半导体系统中超快自旋量子比特控制的记录。我们证明,我们的GHW中重空穴(HHs)的强SOI,其特征在于非常短的1.5 nm自旋轨道长度,使我们能够完成快速的门操作。我们的结果证明了空穴自旋量子比特的超快相干控制满足迪文森佐可扩展量子信息处理器标准要求的潜力。

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