[論文レビュー] A spin qubit in a fin field-effect transistor

Leon C. Camenzind, Simon Geyer+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 42被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、4 K以上の温度で動作する超高速で完全な電気的制御によるホールスピン量子ビットを実現するスケーラブルなホストとして、シリコンのフィンフィールド効果トランジスタ（FinFET）を示している。この温度帯は、統合された古典的制御電子回路と併用可能である。デバイスは、誤り耐性の閾値に達する単一量子ビットゲートの忠実度と、mK温度帯のホールスピン量子ビットと同等またはそれ以上のコherences時間を持つ。産業用途に適したプロセスと、最大150 MHzの高周波電気的制御を活用している。

ABSTRACT

Quantum computing's greatest challenge is scaling up. Several decades ago, classical computers faced the same problem and a single solution emerged: very-large-scale integration using silicon. Today's silicon chips consist of billions of field-effect transistors (FinFETs) in which current flow along the fin-shaped channel is controlled by wrap-around gates. The semiconductor industry currently employs fins of sub-10$\,$nm width, small enough for quantum applications: at low temperature, an electron or hole can be trapped under the gate and serve as a spin qubit. An attractive benefit of silicon's advantageous scaling properties is that quantum hardware and its classical control circuitry can be integrated in the same package. This, however, requires qubit operation at temperatures greater than 1$\,$K where the cooling is sufficient to overcome the heat dissipation. Here, we demonstrate that a silicon FinFET is an excellent host for spin qubits that operate even above 4$\,$K. We achieve fast electrical control of hole spins with driving frequencies up to 150$\,$MHz and single-qubit gate fidelities at the fault-tolerance threshold. The number of spin rotations before coherence is lost at these hot temperatures already matches or exceeds values on hole spin qubits at mK temperatures. While our devices feature both industry compatibility and quality, they are fabricated in a flexible and agile way to accelerate their development. This work paves the way towards large-scale integration of all-electrical and ultrafast spin qubits.

研究の動機と目的

• 既存のCMOSプロセスと古典的制御電子回路と互換性のあるスケーラブルなシリコンベースのスピン量子ビットプラットフォームの開発。
• 熱放散が管理可能で、古典的制御との統合が可能な1 K以上の温度でスピン量子ビットを動作可能にする。
• フィンFETアーキテクチャにおけるホールスピンの高忠実度・超高速電気的制御の実現。
• 上昇温度下での誤り耐性の閾値に達するコherences時間とゲート忠実度の実証。

提案手法

• ゲート電圧によってチャンネル内に1つのホールを閉じ込める、10 nm未満のフィン幅を有するシリコン・フィンFETを用いる。
• ゼーマン効果およびスピン軌道結合を介して、電気的ゲーティングにより閉じ込められたホールのスピン状態を制御する。
• 最大150 MHzの高周波電気駆動を用いて、高速な単一量子ビット回転を実現する。
• 古典的制御回路との統合を可能にするために、4 K以上の温度でデバイスを動作させる。
• 産業スケールのシリコン技術と互換性のある柔軟で迅速なプロセスを採用する。
• 上昇温度下での量子ビット性能を評価するため、ゲート忠実度とコherences時間を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコン・フィンFETは、4 K以上の温度で信頼性高く動作する高忠実度の全電気的スピン量子ビットを実現できるか？
• RQ2 フィンFETがホストとするホールスピン量子ビットにおける、単一量子ビット操作の最大電気駆動周波数は何か？
• RQ3 フィンFETに実装されたホールスピン量子ビットのコherences時間とゲート忠実度は、ミリケルビン温度帯のそれらと比べてどうなるか？
• RQ4 フィンFETのスケーラビリティと産業的互換性は、大規模な量子コンピューティングアーキテクチャの実現にどの程度活用できるか？

主な発見

• フィンFETに実装されたホールスピン量子ビットは、4 K以上の温度で正常に動作し、古典的制御電子回路との統合を可能にした。
• 最大150 MHzの電気的駆動周波数を達成し、超高速な単一量子ビット操作を実現した。
• 単一量子ビットゲートの忠実度が誤り耐性の閾値に達し、大規模な量子計算に不可欠な要件を満たした。
• 4 K以上の温度下でのデコherenceまでのコherentスピン回転回数は、ミリケルビン温度帯の報告値と同等またはそれ以上であった。
• プロセスは柔軟で迅速であり、産業用シリコン技術と互換性を保ちつつ、迅速な開発を可能にした。
• 本システムは、1つのパッケージ内に全電気的・超高速スピン量子ビットを大規模統合する道筋を示した。