論文の概要: High fidelity flopping-mode single spin operation with tuning inter-dot orbital levels

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.21723v1
• Date: Fri, 29 Aug 2025 15:43:04 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-01 19:45:11.100914
• Title: High fidelity flopping-mode single spin operation with tuning inter-dot orbital levels
• Title（参考訳）: ドット間軌道レベルを調整した高忠実なフローッピングモード単一スピン動作
• Authors: Yuta Matsumoto, Xiao-Fei Liu, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Keisuke Koike, Takefumi Miyoshi, Takafumi Fujita, Akira Oiwa,
• Abstract要約: GaAs三重量子ドット(TQD)におけるドット間スピン軌道結合をチューニングすることで高忠実度スピン制御を実現する方法を示す。 トンネル結合を最適化した電気的に安定な帯電状態において,コヒーレンスを維持しながら100MHzを超えるRabi周波数を実現する。 我々のアプローチは、半導体量子ドットアレイにおける高忠実度スピン制御のためのスケーラブルな戦略を提供する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.0070071278505632
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Fast spin manipulation and long spin coherence time in quantum dots are essential features for high fidelity semiconductor spin qubits. However, generally it has not been well established how to optimize these two properties simultaneously, because these two properties are usually not independent from each other. Therefore, the scheme for high fidelity operation by simultaneous tuning Rabi frequency and coherence time, which does not rely on the material-dependent strong spin-orbit interaction and the local magnetic field gradient limiting their scalability, are strongly demanded. Here, we demonstrate an approach to achieve high-fidelity spin control by tuning inter-dot spin-orbit coupling in a GaAs triple quantum dot (TQD), where the third dot provides precise control over orbital energy levels. In an electrically stable charge state with optimized tunnel coupling, we achieve Rabi frequencies exceeding 100 MHz while maintaining coherence through proper tuning of the inter-dot orbital levels of the TQD. By implementing a machine learning-based feedback control that efficiently estimates qubit frequency using past measurement data, we characterize and mitigate the impact of low frequency noise on qubit coherence with minimal measurement overhead. Finally, we demonstrate a $\pi$/2 gate fidelity of 99.7\% with a gate time of 4 ns through randomized benchmarking, even in a GaAs quantum dot device where electron spin coherence is typically limited by strong hyperfine interaction with nuclear spins. Our approach provides a scalable strategy for high-fidelity spin control in semiconductor quantum dot arrays by utilizing device-specific parameters rather than relying on material properties or external field gradients.
• Abstract（参考訳）: 量子ドットにおける高速スピン操作と長いスピンコヒーレンス時間は、高忠実度半導体スピン量子ビットにとって欠かせない特徴である。 しかし、一般的にこれらの2つの性質は互いに独立ではないため、これら2つの性質を同時に最適化する方法が確立されていない。 そのため, 材料依存性の強いスピン軌道相互作用と局所磁場勾配に依存しないRabi周波数とコヒーレンス時間の同時調整による高忠実度動作の計画が強く求められている。 ここでは、三重量子ドット(TQD)におけるドット間スピン軌道結合を調整し、第3のドットが軌道エネルギーレベルを正確に制御することで、高忠実度スピン制御を実現する方法を示す。 トンネル結合を最適化した電気的に安定な帯電状態において、TQDのドット間軌道レベルを適切に調整し、コヒーレンスを維持しながら100MHzを超えるRabi周波数を達成する。 過去の測定データを用いてキュービット周波数を効率的に推定する機械学習に基づくフィードバック制御を実装することにより、測定オーバーヘッドを最小限に抑えたキュービットコヒーレンスに対する低周波雑音の影響を特徴づけ、緩和する。 最後に、電子スピンコヒーレンスが核スピンとの強い超微細相互作用によって制限されるGaAs量子ドットデバイスでさえも、ランダムなベンチマークによってゲート時間4 nsで99.7\%の$\pi$/2ゲート忠実さを示す。 本手法は, 材料特性や外部磁場勾配に依存するのではなく, デバイス固有のパラメータを活用することにより, 半導体量子ドットアレイの高忠実性スピン制御のためのスケーラブルな戦略を提供する。

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