Dephasierung von Elektronenspinqubits in GaAs Quantenpunkten durch die Hyperfeinwechselwirkung

• Antragsteller: Professor Dr. Hendrik Bluhm
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 265464568

Elektronenspins in GaAs Quantenpunkten sind als Halbleiterqubits weit entwickelt, jedoch ist die Hyperfeinwechselwirkung der Elektronen mit den Kernspins des Kristallgitters ein wichtiger Dekohärenzmechanismus. Obwohl große Fortschritte im Verständnis von deren Effekt erzielt wurden bestehen mehrere offene Fragen, die in diesem Projekt experimentell untersucht werden sollen. Ein wichtiger Bestandteil ist eine detaillierte Studie der Effektivität von dynamischer Entkopplung. Unsere Vorarbeiten zeigen, dass diese auf wiederholter Invertierung des Qubitzustands basierende Technik die Dephasierungszeit auf mindestens 200 µs verlängern kann, aber die limitierenden Faktoren sind unklar und noch viel längere Zeiten sind theoretische zu erwarten. Darüber hinaus werden wir der Hypothese nachgehen, dass die Dephasierung der Kernspins durch Quadrupolkopplung an elektrische Felder auch die Kohärenz der Elektronen limitiert. Wenn diese zutrifft sollte durch eine optimale Ausrichtung des externen Magnetfelds eine signifikante Verlängerung der Kohärenzzeit möglich sein.Die zweite Projekthälfte konzentriert sich auf fundamentale Fragen bezüglich der Eigenschaften des Kernspinbads. Alle bisherigen Experimente können mit einem klassischen Modell des aus etwa 10^6 Kernen bestehenden Bads erklärt werden. Aufgrund dessen mesoskopischer Natur ist es jedoch interessant, ob Quanteneffekte zu beobachten sind. Wir werden untersuchen, in wieweit eine Beschreibung durch eine klassische spektrale Dichte angemessen ist, und wie diese aussehen würde. Darüber hinaus werden wir der Frage nachgehen, ob eine Rückwirkung des Qubits auf die Kernspins beobachtbar ist. Eine solche Rückwirkung muss aufgrund der Gesetze der Quantenmechanik bestehen und liegt der Unschärferelation zu Grunde. Sie wäre somit ein qualitatives Merkmal von quantenmechanischem Verhalten. Um dies zu untersuchen werden wir die Korrelationen zwischen aufeinanderfolgenden single shot Messungen des Qubits und deren Abhängigkeit von der Manipulation des Qubits zwischen den zwei Messungen bestimmen. Unsere theoretischen und experimentellen Vorarbeiten beweisen die Eignung dieses neuartigen Messverfahrens.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen