[論文レビュー] Assessing the potential of Ge/SiGe quantum dots as hosts for singlet-triplet qubits

Andrea Hofmann, Daniel Jirovec+7 more|edoc (University of Basel)|Oct 13, 2019

Quantum and electron transport phenomena参考文献 41被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、Ge/SiGeヘテロ構造が、電気的に調整可能なスイングル・トライプレット量子ビットを実現するためのすべての主要な要素を備えていることを示している：制御可能なトンネル結合を有する電界制御可能二重量子ドット、パウリスピンブロッキング、隣接する量子ドットを介した電荷センシング、および強いg因子異方性。観測されたg⊥ = 5.5 ± 1.0およびg∥ = 0.3 ± 0.1により、量子ビットの量子化軸の精密な磁場調整が可能となり、Ge/SiGeがスケーラブルなスピン量子ビットのための有望なプラットフォームであることが確認された。

ABSTRACT

We study double quantum dots in a Ge/SiGe heterostructure and test their maturity towards singlet-triplet ($S-T_0$) qubits. We demonstrate a large range of tunability, from two single quantum dots to a double quantum dot. We measure Pauli spin blockade and study the anisotropy of the $g$-factor. We use an adjacent quantum dot for sensing charge transitions in the double quantum dot at interest. In conclusion, Ge/SiGe possesses all ingredients necessary for building a singlet-triplet qubit.

研究の動機と目的

• Ge/SiGeヘテロ構造が半導体量子ドットにおけるスイングル・トライプレット（S-T₀）量子ビットのホスト材料として適しているかどうかを評価すること。
• Ge/SiGeヘテロ構造に形成された二重量子ドットにおけるドット間トンネル結合の調整可能性を評価すること。
• パウリスピンブロッキングの実証と、量子ビット制御に用いるg因子異方性の測定。
• 容量結合された隣接する量子ドットを用いた電荷センシングの実装。
• すべての必要な要素が、すべて電気的に調整可能なS-T₀量子ビットに備わっているかどうかを検証すること。

提案手法

• 歪みを有するGe量子井戸を有する、低エネルギープラズマ増強型化学気相蒸着法を用いたGe/SiGeヘテロ構造の作製。歪み緩和型Si₀.₃Ge₀.₇バリアでキャップされている。
• 蓄積ゲート（TG、TG_CD）とデプレーション・フィンガーゲートを用いたトップゲート構造を採用し、単一および二重量子ドットを定義・調整。
• クーロンダイヤモンドの測定により、電荷安定性ダイアグラムをマップし、中央バリアゲート（CB）を用いてトンネル結合を調整。
• 磁場をさまざまな方向に印加してg因子異方性を調査。g⊥およびg∥は、導電度ピークの変曲点から抽出。
• 隣接するセンサ量子ドットを用いて、二重量子ドット内の電荷遷移を容量結合で検出。
• 磁場下での導電度トレースの解析により、パウリスピンブロッキングを特定し、g因子値を抽出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ge/SiGeヘテロ構造は、制御可能なドット間トンネル結合を有する調整可能な二重量子ドットを支持できるか？
• RQ2 Ge/SiGe二重量子ドットにおいてパウリスピンブロッキングが観測可能か。これは、コherentなスピン状態の存在を示唆する。
• RQ3 Ge/SiGe量子ドットにおけるg因子の大きさと異方性は何か。また、これは量子ビット制御に利用可能か？
• RQ4 隣接するセンサ量子ドットとの容量結合により、二重量子ドット内の電荷遷移を検出可能か？
• RQ5 Ge/SiGeヘテロ構造は、すべて電気的に調整可能なスイングル・トライプレット量子ビットに必要なすべての要素を備えているか？

主な発見

• 中央バリアゲートを用いて、二つの分離した単一量子ドットから強く結合された二重量子ドットへに連続的に制御可能な調整可能な二重量子ドットが実現された。
• パウリスピンブロッキングが観測され、コherentなスピン状態の存在とスピン量子ビット動作の可能性が確認された。
• g因子異方性はg⊥ = 5.5 ± 1.0（2DHG平面に垂直）およびg∥ = 0.3 ± 0.1（平行）として測定され、強い磁場方向依存性を示した。
• 測定されたg⊥は、純粋なヘビーホールの理論値21.4より小さいが、これはSiGeバリアへの波動関数の漏れやライトホール混合の影響による可能性がある。
• 近接するセンサ量子ドットを用いることで、二重量子ドットの電荷センシングが可能となり、量子ビットの読み出しに実用的な道筋が示された。
• 結果として、Ge/SiGeヘテロ構造が、調整可能性、スピンブロッキング、g因子異方性、および電荷センシングといった、すべて電気的に調整可能なスイングル・トライプレット量子ビットを構築するための必要な要素を備えていることが確認された。