基于微波谐振腔的自旋量子比特最优色散读取

半导体自旋量子比特与超导微波谐振腔的强耦合近期已被证实。这些突破为量子信息处理铺平了道路，其结合了固态自旋量子比特的长相干时间，以及现有超导量子比特实现的长距离连接、快速控制与快速高保真量子非破坏读取。在此，我们从理论上分析并优化通过电偶极矩耦合到微波谐振腔的半导体双量子点（DQD）中单自旋的色散读取。强自旋-光子耦合源于电子自旋在局域磁场梯度中的运动。我们计算了读取的信噪比（SNR），计入了 Purcell 自旋弛豫与半导体内禀电噪声引起的自旋弛豫。我们用与这两种耗散过程相关的 cooperativity（协作度）表达可达到的最大 SNR。我们发现，尽管 cooperativity 随 DQD 与谐振腔间偶极耦合强度增大而增大，但其不依赖于磁场梯度强度。随后我们作为实验可调 DQD 参数的函数优化 SNR。我们识别出参数空间中谐振腔光子对量子比特的不期望反作用较小的广阔区域。此外，我们发现谐振腔与其他 DQD 跃迁的耦合可使 SNR 增强至少两倍，这是一种仅在 DQD 双势阱非零能量失谐时出现的“跨接”效应。我们估计，借助当前技术，可在数 $\mu\textrm{s}$ 读取时间内实现 $82-95\%$ 范围的单次读取保真度，且无需使用 Purcell 滤波器。