Langreichweitige Kopplung von Spin Quantenbits in Supraleiter-Halbleiter Heterostukturen

• Antragsteller: Dr. Gianluigi Catelani; Professor Dr. Fabian Hassler
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387689860

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es theoretisch zu untersuchen, inwiefern sich dünne supraleitende Schichten oder Nanodrähte dazu eignen, eine kontrollierbare Austauschwechselwirkung zwischen zwei Spin Quantenbits über eine Distanz von mehreren Mikrometer zu induzieren. Die Realisierung einer solchen Kopplung ist entscheidend, um Spin Quantenbits zu einer skalierbaren Architektur zu machen. Die Kopplung wird durch einen virtuellen Austausch des Spins durch den Supraleiter vermittelt. Wir werden dabei den Einfluss von magnetischer und nichtmagnetischer Unordnung, Spin-Bahn-Wechselwirkung und Nichtgleichgewichtsquasiteilchen untersuchen. Wir werden Gatterfidelitäten ermitteln, wenn die Gatter durch die langreichweitige Austauschwechselwirkung durch den Supraleiter vermittelt werden. Im Speziellen werden wir den Einfluss von Quasiteilchen erforschen, welche durch die Gatter erzeugt werden, um damit die Grenzen für die Ausführzeit eines Gatters zu eruieren. Wir werden die Tunnelkopplung zwischen den Quantenpunkten und dem elektronischen Reservoir des Supraleiters im Detail modellieren, da diese einen entscheidenden Einfluss auf die endgültige, maximale Kopplungsstärke hat. Wir werden sowohl numerische als auch analytische Methoden benutzen: zum Beipiel werden wir für den Fall eines reinen Supraleiters die Bogoliubov-de Gennes Gleichungen lösen. Für die Untersuchung eines ungeordneten Supraleiters werden wir Methoden basierend auf halbklassischen Greenschen Funktionen bedienen, welche gültig sind, solange die mittlere freie Weglänge größer als die Fermiwellenlänge ist. Für den Fall einer kürzeren mittleren freien Weglänge werden wir diese Untersuchung mit numerischen Methoden unterstützen. Die Nichtgleichgewichtsprobleme werden mit Mastergleichungen für die Dichtematrix des Spin-Quantenbits studiert werden. Damit können wir sowohl die kohärente Austauschwechselwirkung zwischen zwei Spin-Quantenbits berücksichtigen als auch die verschiedenen Dissipationsmechanismen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen