Effects of Hyperfine and Spin Orbit interaction in multiple-spin qubits

Abstract

Norsk sammendrag Interaksjoner i spinn-baserte kvantebits

Gjennom de siste tiårene har det vært en eksponentiell progresjon i utviklingen av mikroelektronikk. Dette har ført til radikale fremskritt i en rekke teknologier som drar nytte av de stadig større mengdene tilgjengelig datakraft. Til tross for denne imponerende progresjonen er det fremdeles enkelte problemer som forblir beregningsmessig vanskelig å løse.

En mulig løsning på enkelte av disse vanskelige problemene er kvantedatamaskinen. En kvantedatamaskin er ikke overlegen en klassisk datamaskin på å utføre vanlige oppgaver, men ved å utnytte kvantemekaniske egenskaper som superposisjon og kvantesammenfiltring kan en kvantedatamaskin overgå klassiske datamaskiner i visse oppgaver.

En kvantedatamaskin er bygd opp av kvantebits. I motsetning til klassiske bits, som kan være enten 0 eller 1, kan en kvantebit være i en blanding av 0 og 1, i en såkalt superposisjon. Det forskes i dag på mange lovende fysiske implementasjoner av kvantebits. En av disse er spinn-baserte kvantebits, hvor kvantebiten er kodet i spinnet til elektroner fanget i halvlederstrukturer kalt kvanteprikker.

Selv om det har vært stor progresjon i utviklingen av spinn-baserte kvantebits de siste tiårene er informasjonen lagret i kvantebitene fremdeles sårbar and går lett tapt i interaksjoner med omgivelsene. For å lage en robust spinn-basert kvantebit er det derfor viktig å forstå hvordan disse interaksjonene påvirker de fangede elektronene, og utforske tilnærminger for å redusere de skadelige interaksjonene.

Avhandlingen omhandler forståelsen av hvordan de fangede elektronene i kvantebiten oppfører seg og vekselvirker med forskjellige omgivelser, og hvordan denne kunnskapen kan bli brukt for å redusere de skadelige interaksjonene som ødelegger informasjonen kodet i kvantebiten.

English summary One promising qubit implementation for the physical realization of quantum processors is spin qubits, where the qubit is encoded in the spins of electrons confined in semiconductor quantum dots. Despite considerable progress during the past decades the information stored in spin qubits is fragile and easily lost in interactions with its environment. To construct a robust spin qubit it is therefore essential to understand the details of how these interactions affect the confined electron spins, and explore approaches to mitigate the harmful interactions.

The first two papers examine potential solutions to mitigate the harmful interaction between the electron spins and the spinful nuclei in III-V semiconductors. The first paper proposes an implementation of a singlet-only qubit in a triple quantum dot with a highly tunable qubit splitting and superior coherence properties due to its singlet-only nature. The second paper shows how the harmful interaction can be quenched by applying a DC electric current through a multi-electron spin qubit tuned to the Pauli spin blockade regime, where an interplay between the hyperfine interaction and the spin dynamics effectively suppresses the harmful nuclear field gradients in the qubit.

The third paper investigates the manifestation of the anisotropic effective mass and effective g-tensor of heavy holes in two-dimensional hole gases and lateral quantum dots in group-IV semiconductors. We present a general expression for the anisotropic g-tensor, and present a straightforward way to calculate corrections to this g-tensor for localized holes due to various types of spin-orbit interaction.

The final paper develops a detailed connection between the leakage current of a double quantum dot tuned to the Pauli spin blockade regime and the underlying spin-orbit interaction in the system. We present a general analytic expression for the leakage current, allowing us to connect experimentally observable features to both the magnitude and orientation of the effective spin-orbit interaction acting on the moving carriers.