Gatter mit hoher Fidelität, dynamische Kernspinpolarisierung und Spin-Bahn Kopplung in GaAs zwei-Elektronen Spinqubits.

• Antragsteller: Professor Dr. Hendrik Bluhm
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 240103078

Auf GaAs basierende Zwei-Electronen Spinqubits haben sich als sehr vielversprechend für Quanten-informationsverarbeitung erwiesen. Eine wichtige Voraussetzung für weiteren Fortschritt sind Quan-tengattern mit hoher Fidelität für die Manipulation von einzelnen und mehreren Qubits. Die Grundprin-zipien dafür sind wohlbekannt, und die im Vergleich zur Gatterdauer langen nachgewiesenen Kohä-renzzeiten versprechen bemerkenswert niedrige Fehlerraten.Die Gatterfidelität wurde bisher jedoch nicht optimiert oder im Detail charakterisiert. Systematische Fehler, die z.B. durch schlecht kalibrierte Kontrollpulse und Kopplungsstärke an das Qubit entstehen können, sind bei derzeitigen Ansätzen groß. Ein Ziel dieses Projekts ist es, solch systematische Feh-ler von Einqubitgattern vollständig zu eliminieren, und deren Qualität zu verifizieren. Wir streben also an, die aufgrund von Dekohärenz maximal erreichbare Fidelität zu erzielen. Standard-Rabi Pulse sind wegen der Art der Qubitkontrolle dabei nicht anwendbar. Deshalb sollen zunächst geeignete Kontroll-pulse durch hinreichend realistische Simulationen identifiziert werden, und dann am Experiment so nachjustiert werden, dass sich die gewünschten Gatter ergeben. Dieses Ziel ist für weiteren Fortschritt in Richtung skalierbarer Quanteninformationsverarbeitung unumgänglich, und wird auch für genauere und detailliertere Experimente zum Verständnis von Dekohärenz in GaAs Qubits, z.B. durch dynami-sches Entkoppeln, sehr nützlich sein.Für eine weitere Verbesserung der Qubitparameter und wegen grundlegendem Interesse ist es auch wichtig, die der Qubitdynamik besser zu verstehen. Für GaAs (und viele andere) Spinqubits ist die Hyperfeinwechselwirkung zwischen Elektronen und Kernspins besonders relevant, da diese ohne Gegenmaßnahmen die dominante Dephasierungsquelle ist. Das zweite Ziel dieses Projekts ist daher, Methoden zur Reduzierung von Dekohärenz durch Kernspins weiter zu verbessern, und drängende offene Fragen bezüglich deren Effektivität und der zu Grunde liegenden Mechanismen zu beantwor-ten. Unser besonderes Augenmerk wird auf sogenannten narrwowing-Methoden liegen, welche Fluk-tuationen der Kernspins durch dynamische Kernspinpolarisierung und Rückkopplung reduzieren. Ob-wohl sich diese als recht erfolgreich erwiesen haben ist deren Effektivität verbesserungsfähig. Wir planen deshalb, diese Methoden bis an ihre fundamentalen Grenzen zu führen, und die Natur der letzteren zu erkunden. Ein in diesem Kontext wichtiges Thema ist das Wechselspiel der Hyperfein- und Spin-Bahn Wechselwirkung, welche wir mit ausgeklügelten und teilweise neuen Messtechniken charakterisieren wollen. Die zwei Projektkomponenten verfolgen zwar verschiedene Ziele, sind jedoch durch signifikante Sy-nergien sowohl inhaltlicher und praktischer Natur verknüpft. Beide Teile können an derselben Probe und in einem Experimentaufbau durchgeführt werden, wodurch die zur Verfügung stehenden Res-sourcen optimal genutzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen