論文の概要: Spin ladder quantum simulators from spin-orbit-coupled quantum dot spin qubits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.08358v1
• Date: Mon, 11 Aug 2025 18:00:00 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-13 21:07:34.195195
• Title: Spin ladder quantum simulators from spin-orbit-coupled quantum dot spin qubits
• Title（参考訳）: スピン軌道結合量子ドットスピンキュービットからのスピンはしご量子シミュレータ
• Authors: Yang-Zhi Chou, Sankar Das Sarma,
• Abstract要約: スピン軌道結合を持つ量子ドットアレイから2脚のスピンはしごを構築し,研究する。 スピンはしごは前例のない複雑なスピンハミルトニアンによって記述される。 我々の研究は量子多体理論とスピン量子ビットデバイス物理学を橋渡しする。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Motivated by the recent Ge hole spin qubit experiments, we construct and study a two-leg spin ladder from a quantum dot array with spin-orbit couplings (SOCs), aiming to uncover the many-body phase diagrams and provide concrete guidance for the Ge hole spin qubit experiments. The spin ladder is described by an unprecedented, complex spin Hamiltonian, which contains antiferromagnetic Heisenberg exchange, Dzyaloshinskii-Moriya (DM), and anisotropic exchange interactions. We analyze the spin ladder Hamiltonian in two complementary situations, the strong rung coupling limit and the weak rung coupling limit. In the strong rung coupling limit, we systematically construct effective spin-1/2 chain models, connecting the well-studied one-dimensional spin models and providing a recipe for Hamiltonian engineering. It is worth emphasizing that effective DM interactions can be completely turned off while the microscopic DM interactions are generically inevitable. Moreover, the staggered DM interactions, which are not possible in the microscopic spin model, can also be realized in the effective spin-1/2 model. In the weak rung coupling limit, we employ Abelian bosonization and Luther-Emery fermionization, uncovering a multitude of phases. Several commensurate-incommensurate transitions are driven by both the longitudinal magnetic field and the DM interactions in the legs (chains). Remarkably, the low-energy phase diagrams show strong dependence in the DM interaction, providing a concrete way to identify the strength of SOC in the experiments. Our work bridges quantum many-body theory and spin qubit device physics, establishing spin ladders made of spin-orbit-coupled quantum dots as a promising platform for engineering exotic spin models, constructing quantum many-body states, and enabling programmable quantum computations.
• Abstract（参考訳）: 最近のGeホールスピン量子ビット実験に触発され、スピン軌道カップリング(SOC)を持つ量子ドットアレイから2脚スピンはしごを構築し、研究し、多体相図の解明とGeホールスピン量子ビット実験の具体的なガイダンスを提供する。 スピンはしごは、反強磁性ハイゼンベルク交換、ジアロシンスキー-モリヤ(DM)、異方性交換相互作用を含む、前例のない複雑なスピンハミルトニアンによって記述される。 2つの相補的な状況、強いラングカップリング限界と弱いラングカップリング限界を解析する。 強いラングカップリング限界において、有効なスピン-1/2連鎖モデルを構築し、よく研究された1次元スピンモデルを接続し、ハミルトン工学のレシピを提供する。 効果的なDM相互作用は完全にオフにできるが、顕微鏡的DM相互作用は総じて避けられない。 さらに、顕微鏡スピンモデルでは不可能なスタッガードDM相互作用は、有効スピン-1/2モデルでも実現可能である。 弱いラングカップリング限界では、アベリアのボゾン化とルター・エメリーのフェルミオン化を採用し、様々な位相を明らかにする。 いくつかのコンメンシュレート-非コンメンシュレート遷移は、長手方向磁場と脚(鎖)のDM相互作用の両方によって駆動される。 注目すべきは、低エネルギー相図はDM相互作用に強い依存を示し、実験においてSOCの強度を特定する具体的な方法を提供することである。 我々の研究は、量子多体理論とスピン量子デバイス物理学を橋渡しし、スピン軌道結合された量子ドットからなるスピンはしごを、エキゾチックなスピンモデルの構築、量子多体状態の構築、プログラマブルな量子計算の実現のための有望なプラットフォームとして確立した。

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