Achieving quantum computation with quantum dot spin qubits

Mehl, Sebastian Johannes; DiVincenzo, David P.

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-52980

Achieving quantum computation with quantum dot spin qubits = Machbarkeit von Quantenrechnungen mit Quantenpunktspinqubits

Mehl, Sebastian Johannes (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sebastian Johannes Mehl

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangXII, 179 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
DiVincenzo, David P. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-11-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-52980
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/465403/files/5298.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Quanteninformatik (Genormte SW) ; Quantencomputer (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Quanteninformation (frei) ; quantum information (frei) ; quantum computer (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Ein quantenmechanisches Zweiniveausystem ist der Grundbaustein eines Quantencomputers. Es definiert die Recheneinheit eines Quantencomputers, die auch als Quantenbit oder Qubit bezeichnet wird. Diese Definition ist analog zu der eines Bits, der binären Recheneinheit eines klassischen Computers. Der Spin eines einzelnen Elektrons wird natürlicherweise durch ein Zweiniveausystem beschrieben. Ein Quantenpunkt kann mit nur einem Elektron besetzt sein, sodass mehrere Quantenpunkte ein Qubitregister ergeben. Diese Arbeit beschreibt Qubitdefinitionen im Spinsektor von mehreren Elektronen, die auf zwei oder drei Quantenpunkte verteilt sind. Insbesondere werden die Kohärenzeigenschaften dieser Systeme beschrieben, sowie Protokolle für quantenmechanische Rechnungen diskutiert. Das Singulett-Triplett Qubit, das durch das Singulett und den spinfreien Triplettzustand von zwei Elektronen eines Doppelquantenpunkts definiert ist, kann mit elektrischen Gatterspannungen manipuliert werden. Für solche Doppelquantenpunkte ist es gelungen in Experimenten quantenmechanische Rechenprotokolle zu realisieren. Wenn ein Magnetfeldgradient zwischen den beiden Quantenpunkten vorhanden ist, kann dieses Qubit vollständig kontrolliert werden. In dieser Arbeit werden zwei Modifikationen des Singulett-Triplett Qubits vorgestellt. (1) Sechs Elektronen können genauso wie zwei Elektronen ein Singulett-Triplett Qubit definieren. Zwei Elektronen werden jeweils auf einem Quantenpunkt gepaart, sodass diese für Quantenoperationen irrelevant sind. Die restlichen beiden Elektronen definieren das Qubit. Solche Singulett-Triplett Qubits sind bei moderaten Magnetfeldern immun gegenüber Ladungsrauschen. (2) Wenn man für das Singulett-Triplett Qubit zwei Quantenpunkte unterschiedlicher Größe verwendet, dann kann das Energiediagramm eine Entartung zwischen den Qubitzuständen haben. Diese wird durch die Spin-Bahn Wechselwirkung aufgehoben und das Qubit benötigt für die volle Quantenkontrolle keinen Magnetfeldgradienten mehr. Zusätzlich werden Quantengatter zwischen zwei Singulett-Triplett Qubits beschrieben, wenn die beiden Qubits über einen Quantenzustand gekoppelt sind. Diese Gatter können gut kontrolliert werden und haben hervorragende Kohärenzeigenschaften. Orbitale Wechselwirkungen genügen um Spinqubits zu kontrollieren, die im Hilbertraum dreier Elektronen definiert sind. So gibt es ein Qubit, das einzig durch die Austauschwechselwirkungen zwischen drei Elektronen auf drei Quantenpunkten kontrolliert werden kann. Diese Arbeit beschreibt die Kohärenzeigenschaften dieses Qubits. Zusätzlich wird ein Qubit beschrieben, das mit drei Elektronen in einer Doppelquantenpunktstruktur definiert ist. Quantengatter für dieses Qubit benötigen Operationen, die schneller als Nanosekunden sind. Da solche Operationen für dieses Qubit experimentell realisiert wurden, stellt diese Arbeit Quantengatter zwischen zwei solcher Qubits nach demselben Prinzip vor.

A two-level quantum system is the building block of a quantum computer. This pair of quantum states defines the computational unit of a quantum computer, and it is called a quantum bit or qubit in analogy to the bit that is the binary unit of a classical computer. The spin of a single electron naturally defines such a two-level quantum system. A quantum dot can be tuned to the single-electron regime, and an array of singly occupied quantum dots provides a multi-qubit register. This thesis describes the multielectron encoding of a spin qubit using a pair or a trio of quantum dots, and it analyzes the coherence properties and manipulation protocols of this system. The singlet-triplet qubit, coded using the singlet state and the spinless triplet state of a pair of singly occupied quantum dots, can be controlled all electrically when applying voltages to gates close to the quantum dot structure. Rapid, subnanosecond modifications of the double quantum dot's charge configuration have been realized successfully. A small magnetic field gradient across the double quantum dot enables universal qubit control. Two modifications of the normal singlet-triplet encoding are introduced. (1) The six-electron configuration of a double quantum dot encodes a singlet-triplet qubit in the same way as for the two-electron double quantum dot. Two electrons at each quantum dot are irrelevant for the qubit manipulations because they are paired in a singlet state; the remaining two electrons encode the qubit. The qubit's wave function is immune to charge noise at moderate out-of-plane magnetic fields. (2) A singlet-triplet qubit encoded using two quantum dots of different sizes has an orbital state degeneracy of the singlet state and the spinless triplet state at finite out-of-plane magnetic fields. Spin-orbit interactions lift this state degeneracy, while the magnitude of the state coupling is determined by the size difference of the QDs. This setup enables the manipulations of singlet-triplet qubits without the need for magnetic field gradients. Finally, two-qubit gates between singlet-triplet qubits are proposed that use mediated exchange interactions via one quantum state. These operations are well controlled and highly noise insensitive. Orbital interactions alone can control spin qubits coded in a three electron Hilbert space. For example, the exchange-only qubit is encoded using three singly occupied quantum dots. The exchange interactions of two quantum dot pairs need to be modified to manipulate this qubit. The noise sensitivity of the exchange-only qubit is discussed. Alternatively, a three-electron qubit at a double quantum dot can be operated when single electrons are transferred between the quantum dots. Fast, subnanosecond manipulations of the double quantum dot's charge configuration are required to realize single-qubit gates. A novel two-qubit pulse gate for the three-electron double quantum dot qubit is proposed.

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