[論文レビュー] A single hole spin with enhanced coherence in natural silicon

P. Nicolas, Boris Brun+15 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、電荷ノイズへの感受性を低減する磁場調整型作動スイートスポットを活用することで、自然シリコン中の単一ホールスピンキュービットのコherencteを向上させることを示した。金属酸化物半導体デバイスを用いて電気的に1つのホールを閉じ込め、磁場の向きを調整することで、Hahnエコーのコherencte時間は最大88 μsに達した—これは以前のホールスピンキュービットよりも10倍以上長く、同位体純化シリコン中の最先端の電子スピンキュービットに近い水準に達した。

ABSTRACT

Semiconductor spin qubits based on spin-orbit states are responsive to electric field excitation allowing for practical, fast and potentially scalable qubit control. Spin-electric susceptibility, however, renders these qubits generally vulnerable to electrical noise, which limits their coherence time. Here we report on a spin-orbit qubit consisting of a single hole electrostatically confined in a natural silicon metal-oxide-semiconductor device. By varying the magnetic field orientation, we reveal the existence of operation sweet spots where the impact of charge noise is minimized while preserving an efficient electric-dipole spin control. We correspondingly observe an extension of the Hahn-echo coherence time up to 88 $μ$s, exceeding by an order of magnitude the best reported values for hole-spin qubits, and approaching the state-of-the-art for electron spin qubits with synthetic spin-orbit coupling in isotopically-purified silicon. This finding largely enhances the prospects of silicon-based hole spin qubits for scalable quantum information processing.

研究の動機と目的

• 強いスピン軌道結合による電荷ノイズの影響を受けるため、通常は制限される自然シリコン中のホールスピンキュービットのコherencte時間を延長すること。
• 一次的にスピン-電場感受性がゼロとなる作動スイートスポットを特定・利用し、電荷ノイズへの感受性を最小限に抑えること。
• スピン軌道結合を介した完全な電気的制御が、スケーラブルで産業用途に適したシリコンプラットフォームで長寿命のコherencteと併存できることを示すこと。
• 同位体純化を行わない自然シリコンが、純化シリコン中の電子スピンキュービットと同等のコherencteを持つホールキュービットを実現できることを検証すること。

提案手法

• 自然シリコンナノワイヤー上に作製された4ゲート金属酸化物半導体デバイスを用いて、電気的に1つのホールを量子ドットに閉じ込める。
• ホールが持つ大きなスピン軌道結合を活用し、高周波数ゲート電圧励起を用いて電気双極子スピン共鳴（EDSR）制御を実施する。
• スピン-電場感受性が最小化される点を特定するために、磁場の向きを3次元（x, y, z軸）で系統的に変化させる。
• rfリフレクトメトリーとスピンから電荷への変換（Elzerman読み取り）を用いて、1ショットスピン読み取りおよびコherencte時間の測定を実施する。
• 6バンドk·p法を用いてホール波動関数をモデル化し、ヘビー・ライトホール成分の特徴とスピン軌道結合におけるその役割を理解する。
• 磁場角度の関数としてHahnエコーおよびCPMGのコherencte時間を測定し、コherencteを向上させるスイートスポットをマップアウトする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電荷ノイズへの感受性が最小化されつつ、効率的な電気双極子スピン制御を維持できるホールスピンキュービットの作動スイートスポットが存在するか？
• RQ2 最適化された磁場向き下での自然シリコン中の単一ホールスピンの最大Hahnエコーコherencte時間はどの程度か？
• RQ3 自然シリコン中のホールスピンキュービットのコherencte時間は、同位体純化シリコン中の電子スピンキュービットと比べてどの程度か？
• RQ4 同位体増強を行わない自然シリコンを用いることで、ホールスピンキュービットのコherencteにどの程度の影響が生じるか？
• RQ5 波動関数のヘビー・ライトホール成分が、スピン軌道結合とコherencte向上に果たす役割は何か？

主な発見

• 最適化された磁場向き下で、ホールスピンキュービットのHahnエコーコherencte時間は88 μsに達し、以前のホールスピンキュービットと比較して10倍以上も向上した。
• 縦方向スピン-電場感受性が一次的にゼロとなる作動スイートスポットが同定され、電荷ノイズへの感受性が顕著に低減した。
• 自然シリコン中のコherencte時間は、同位体純化シリコン中の電子スピンキュービットの最先端水準に近づき、自然シリコンがスケーラブルな量子コンピューティングに適していることを示した。
• 300 mmウェーハ全体にわたり高い出荷率と均一性を示し、4ゲートデバイスの90％が正常に動作し、しきい値電圧は一様に分布（σ = 22 mV）しており、優れたプロセス制御を示している。
• 測定されたg因子は面内磁場角度に依存して変化し、異方的スピン軌道結合を確認し、電界に対するキュービット応答を精密に調整可能であることを裏付けた。
• コherencte向上は、低周波数電荷ノイズおよび準静的フラクチュエーション（ハイパーファイン相互作用を含む可能性あり）の抑制と関連しており、T2とLSES間の相関解析から明らかになった。