高保真空穴自旋量子比特揭示同位素纯化平面锗中的四极核库动力学

平面锗已成为构建基于自旋的大规模量子计算机的有前景的平台。通过利用Ge中空穴的各向异性超精细相互作用，最近实现了具有长T2*的量子比特。虽然单量子比特的性能或多或少仍受73Ge核自旋涨落的限制，但量子比特甜点的位点间变化成为在整个晶圆上保持每个量子比特高保真度的障碍。为了实现高性能的基于Ge的量子电路，消除超精细噪声的根源至关重要。在硅对应物中，降低29Si丰度能够实现卓越的高保真度操作。相比之下，基于同位素纯化Ge的空穴量子比特尚未被证明。在这里，我们报告了使用富集70GeH4前驱体合成高质量的二维空穴气（2DHG）。由于非零自旋核的抑制，量子比特在甜点处的T2*适度延长至超过20微秒，超过了之前报道的最佳Ge空穴量子比特。更重要的是，量子比特在偏离甜点处的T2*增强至3微秒以上，使得在两种操作状态下单量子比特门保真度均超过99.9%。Hahn回波光谱进一步解析了一个有限频率的核噪声通道，该通道不同于传统的与Larmor相关的超精细响应。我们将此通道归因于残余73Ge核在Ge/SiGe界面附近采样局域电场梯度的四极修正动力学。其场标度和角度相关的可见性与通过Ge空穴的各向异性超精细相互作用转换的量子比特可见的四极核噪声分量一致。这些结果确立了同位素纯化的平面Ge作为空穴自旋量子比特的高相干性可扩展平台，并为界面四极核动力学提供了光谱探针。