論文の概要: Phonon-Coupled Hole-Spin Qubits in High-Purity Germanium: Design and Modeling of a Scalable Architecture
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.12221v1
- Date: Wed, 16 Apr 2025 16:14:30 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-04-17 14:39:05.091733
- Title: Phonon-Coupled Hole-Spin Qubits in High-Purity Germanium: Design and Modeling of a Scalable Architecture
- Title（参考訳）: 高純度ゲルマニウムにおけるフォノン結合型ホールスピン量子:スケーラブルアーキテクチャの設計とモデル化
- Authors: D. -M. Mei, S. A. Panamaldeniya, K. Dong, S. Bhattarai, N. Budhathoki, A. Warren,
- Abstract要約: 本稿では,ゲート制御されたゲルマニウム(Ge)量子ドットで定義されたホールスピン量子ビットを用いたスケーラブル量子プロセッサアーキテクチャの設計とモデル化を行う。
このアーキテクチャはGeの孔状態に固有の強い電気的に調節可能なスピン軌道相互作用を利用し、高品質のフォノン結晶キャビティ(PnCC)と統合して完全電気量子ビット制御とフォノンを介する結合を可能にする。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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- Abstract: We present a design and modeling of a scalable quantum processor architecture utilizing hole-spin qubits defined in gate-controlled germanium (Ge) quantum dots, where coherent spin-phonon coupling is predicted to facilitate qubit manipulation and long-range interactions. The architecture exploits the strong, electrically tunable spin-orbit interactions intrinsic to hole states in Ge, integrated with high-quality phononic crystal cavities (PnCCs) to enable fully electrical qubit control and phonon-mediated coupling. Employing a streamlined simulation framework built upon multiband \(\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}\) modeling and finite-element methods, we quantify key performance metrics, including electrically tunable \( g \)-factors ranging from \(1.3\) to \(2.0\), spin-phonon coupling strengths up to \(6.3\,\mathrm{MHz}\), phononic cavity quality factors exceeding \(10^4\), and phonon-mediated spin relaxation times (\(T_1\)) reaching milliseconds. The proposed architecture concurrently achieves extended spin coherence and rapid gate operations through strategic electric field modulation and engineered phononic bandgap environments. Furthermore, isotopically enriched high-purity Ge crystals grown in-house at the University of South Dakota, significantly enhance device coherence by minimizing disorder and hyperfine interactions. This integrated approach, merging advanced materials engineering, precise spin-orbit coupling, and phononic cavity design, establishes a promising CMOS-compatible pathway toward scalable, high-fidelity quantum computing.
- Abstract（参考訳）: 本稿では,ゲート制御されたゲルマニウム(Ge)量子ドットに定義されたホールスピン量子ビットを用いたスケーラブルな量子プロセッサアーキテクチャの設計とモデル化を行う。
このアーキテクチャはGeの孔状態に固有の強い電気的に調節可能なスピン軌道相互作用を利用し、高品質のフォノン結晶キャビティ(PnCC)と統合して完全電気量子ビット制御とフォノンを介する結合を可能にする。
マルチバンド \(\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}\) モデリングと有限要素法に基づいて、電気的に調整可能な \(g \)-要素を \(1.3\) から \(2.0\) まで、スピン-フォノン結合強度は \(6.3\,\mathrm{MHz}\)、音速キャビティの品質因子は \(10^4\)、フォノンを媒介としたスピン緩和時間 (\(T_1\) はミリ秒に達する。
提案アーキテクチャは,戦略的電場変調と音波バンドギャップ環境を通じて,スピンコヒーレンスと急速ゲート操作を同時に実現している。
さらに、サウスダコタ大学の社内で栽培されるイソトピーに富んだ高純度Ge結晶は、障害の最小化と超微細な相互作用によってデバイスコヒーレンスを著しく向上させる。
この統合されたアプローチは、高度な材料工学、精密なスピン軌道結合、および音波キャビティ設計を融合させ、スケーラブルで高忠実な量子コンピューティングへの有望なCMOS互換経路を確立する。
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