半導體自旋量子位元

本篇為參考QuTech的演講。
Ref: Youtube: "Hybrid Devices for Quantum Computing" by Marta Pita @ QuTech, TU Delft
https://www.youtube.com/watch?v=DWfjBdQMYCI

演講中列舉五種QuTech在研究的量子位元：超導量子位元、自旋量子點量子位元、氮空缺鑽石量子位元（NV center）、Andreev量子位元、和拓墣量子位元。

有趣的是，除了氮空缺量子位元之外，自旋量子點量子位元、Andreev量子位元、和拓墣量子位元多少都與超導有關。

• 自旋量子點量子位元操作的溫度\( \leq 1K\)，其操作的電極常進入超導狀態。

• Andreev量子位元是利用Andreev反射製作的量子位元。

• 拓墣量子位元常使用奈米線放置在超導體上，利用鄰近效應（Proximity Effect）使奈米線產生超導性，並在端點產生拓墣量子態。

個別的量子位元各有優缺點，故如果能整合不同的量子位元，有機會截長補短，製作效能更好的量子位元。

Hybrid Type of Fluxonium

這邊介紹的就是超導量子位元Fluxonium複合拓墣量子位元。

這邊採用的拓墣量子位元是\( InAs \)奈米線，表層鍍上\(Al\)在低溫下進入超導態。

Ref:Gate-Tunable Field-Compatible Fluxonium, 2020
10.1103/PhysRevApplied.14.064038

Andreev Bound State

所謂Andreev反射是發生在非超導/超導接面中。因為超導體的原理是兩個電子形成的Cooper Pair，但是非導體中移動的載子是個別的單一電子，當單一電子從半導體穿隧進入到超導體時必須形成Cooper Pair，電荷守恆的要求下就會反射一個電洞。如果是超導/非超導/超導串接，中間的非超導區域會形成Andreev Bound State。

Ref: Andreev bound states in supercurrent-carrying carbon nanotubes revealed", 2010
DOI: 10.1038/nphys1811

Transmon-Spin Hybrid Qubit

由Transmon整合Spin Qubit。

因為自旋接面的關係，約瑟夫森節的特性與自旋相關，造成不對稱的特性。
Ref: "Talks - Quantum Matter for Quantum Technologies 2024 - Marta PITA-VIDAL, IBM Zurich/TU Delft",
https://www.youtube.com/watch?v=VEFzm_DcQ08

利用將SQUID其中一側的約瑟夫森節改成自旋接面。可以透過超導電流去讀取自旋位元的狀態。 這類研究的想法是因為超導量子位元是目前最容易驅動量子電路，而傳統自旋位元雖然有較長的相干時間，但操控上不若超導量子位元來得容易。 故如果利用超導量子電路整合自旋位元，可以利用已經成熟的circuit QED來驅動自旋位元。
"Singlet-Doublet Transitions of a Quantum Dot Josephson Junction Detected in a Transmon Circuit", 2022
DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.030311

要實現量子計算，就需要多個量子位元實現交互作用，進一步的實驗實現了利用超導量子電路將兩個不相鄰的自旋量子位元產生可調控的耦合交互作用。
Ref: "Strong tunable coupling between two distant superconducting spin qubits", 2024
DOI: 10.1038/s41567-024-02497-x

利用超導量子電路將兩個不相鄰的自旋量子位元產生可調控的耦合交互作用實驗中的電路示意圖。
Ref: "Strong tunable coupling between two distant superconducting spin qubits", 2024
DOI: 10.1038/s41567-024-02497-x