Tunable resilience to charge noise of a hole spin
Résilience ajustable d'un spin de trou au bruit de charge
Résumé
Spin quantum bits (qubits) established in group-IV semiconductor quantum dots structures (QD) embody a promising platform for large-scale quantum processors leveraging on small footprint and compatible fabrication processes with mainstream semiconductor industry. In particular, hole particles recently gained attention as spin qubit platform as they enable fast and all-electrical manipulation due to their intrinsically large spin-orbit coupling. The latter coupling however stands as a two-edged sword as it also exposes the hole spin to undesired interactions with the surrounding environment, which in turn degrade the qubit coherence time. Over the past years, many efforts have been conducted to mitigate electrical noise influence stemming from the environment thus revealing the existence of preferential points of enhanced coherence time, named ``sweetspots'', depending on magnetic field orientation.In this manuscript, the emphasis is laid on the characterization of electrical noise contributions impacting a single hole spin qubit with respect to magnetic field orientation on a P-doped natural silicon-MOS architecture. The hole particle is spatially confined in a QD defined electrostatically within the device. Spin orientation is readout by radio-frequency reflectometry based on energy-selective readout method. We experimentally demonstrate that the reported ``sweetspots'' belong in fact to continuous ``sweetlines'' wrapped around the sphere of magnetic-field polar-angle components, in agreement with theoretical predictions. We also show that, in addition to extended coherence time, sweetline operation is compatible with efficient electric-dipole spin resonance with Rabi frequencies, f_R, comfortably exceeding 10 MHz, and a qubit quality factor Q = 2 f_R T_2^R as high as 690, competing with reported values for electrons. Our study evidences ample gate-voltage control of the sweetlines position in magnetic field, an aspect particularly relevant in the purview of scalability. Finally, the experimental investigation of such optimal operation points is extended to a two qubit system as a proof of concept underscoring the importance of sweetlines tuning for spin qubit systems.
Les bits quantiques de spin (qubits) établis dans des boîtes quantiques au sein de semiconducteurs du groupe IV constituent une plateforme prometteuse en vue de futurs processeurs quantiques à grande échelle, du fait de leur faible encombrement et de leur processus de fabrication compatibles avec l'industrie des semiconducteurs traditionnelle. En particulier, les particules de trous ont gagné en attention ces dernières années en vue de leur potentiel en tant que qubit de spin car elles permettent une manipulation rapide de l'orientation du spin, entièrement induites par des champs électriques grâce à leur couplage spin-orbite intrinsèquement important. Ce dernier est toutefois à double tranchant car il expose aussi le spin de trou à des fluctuations électriques indésirables provenant du milieu environnant, ce qui en somme, dégrade le temps de cohérence du qubit. Au cours des dernières années, de nombreux efforts ont été déployés pour réduire l'influence du bruit électrique provenant de l'environnement sur les qubits de spins, révélant ainsi l'existence de points préférentiels, appelés "sweetspots", où le temps de cohérence est grandement étendu dépendamment de l'orientation du champ magnétique.Dans ce manuscrit, l'accent est mis sur la caractérisation des contributions de bruit électrique ayant un impact sur un qubit de spin à trou unique en fonction de l'orientation du champ magnétique dans un échantillon de silicium naturel dopé P ayant une structure MOS. La particule de trou est confinée spatialement dans une boîte quantique définie électrostatiquement à l'intérieur du dispositif. L'orientation de son spin est lue par réflectométrie radio-fréquence basée sur une méthode de discrimination en énergie des états de spin. Nous démontrons expérimentalement que les "sweetspots" précédemment mentionnés appartiennent en fait à des lignes continues, dites "sweetlines" autour de la sphère angulaire du champ magnétique, en accord avec les prédictions théoriques. Nous montrons également qu'en plus d'un temps de cohérence étendu, le fonctionnement des sweetlines est compatible avec une manipulation efficace avec des fréquences de Rabi, f_R, dépassant confortablement 10 MHz, et un facteur de qualité défini comme Q = 2 f_R T_2^R s'élevant jusqu'à environ 690, rivalisant avec les estimations rapportées pour les électrons. En outre, cette étude met en évidence un contrôle accru de la position angulaire des sweetlines en fonction de la tension de grille. Ceci constitue un aspect particulièrement important dans le contexte d'une future implémentation à plus grande échelle. Enfin, l'étude expérimentale de ces points de fonctionnement optimaux est reproduite pour un système à deux qubits soulignant l'importance des sweetlines pour les systèmes de qubits de spin.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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