Optimal dispersive readout of a spin qubit with a microwave resonator
Notice bibliographique
Résumé
Strong coupling of semiconductor spin qubits to superconducting microwave resonators was recently demonstrated [X. Mi et al., Nature 555, 599 (2018); A. J. Landig et al., Nature 560, 179 (2018); N. Samkharadze et al., Science 359, 1123 (2018); T. Cubaynes et al., NPJ Quant. Inf. 5, 47 (2019)]. These breakthroughs pave the way for quantum information processing that combines the long coherence times of solid-state spin qubits with the long-distance connectivity, fast control, and fast high-fidelity quantum-non-demolition readout of existing superconducting qubit implementations. Here we theoretically analyze and optimize the dispersive readout of a single spin in a semiconductor double quantum dot (DQD) coupled to a microwave resonator via its electric dipole moment. The strong spin-photon coupling arises from the motion of the electron spin in a local magnetic field gradient. We calculate the signal-to-noise ratio (SNR) of the readout accounting for both Purcell spin relaxation and spin relaxation arising from intrinsic electric noise within the semiconductor. We express the maximum achievable SNR in terms of the cooperativity associated with these two dissipation processes. We find that while the cooperativity increases with the strength of the dipole coupling between the DQD and the resonator, it does not depend on the strength of the magnetic field gradient. We then optimize the SNR as a function of experimentally tunable DQD parameters. We identify wide regions of parameter space where the unwanted backaction of the resonator photons on the qubit is small. Moreover, we find that the coupling of the resonator to other DQD transitions can enhance the SNR by at least a factor of two, a ``straddling'' effect [J. Koch et al., Phys. Rev. A 76, 042319 (2007)] that occurs only at nonzero energy detuning of the DQD double-well potential. We estimate that with current technology, single-shot readout fidelities in the range 82--95% can be achieved within a few $\ensuremath{\mu}\mathrm{s}$ of readout time without requiring the use of Purcell filters.
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Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,002 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
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score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».