[論文レビュー] Blueprint of a scalable spin qubit shuttle device for coherent mid-range qubit transfer in disordered Si/SiGe/SiO$_2$

Veit Langrock, Jan A. Krzywda+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、Si/SiGe/SiO₂におけるスピンキュービットシューティングのスケーラブルな青写真を提示し、長さに依存しない最小限の制御ラインを用いて約10 μmのミドルレンジ電子移動を coherent に実現する。実際の不規則性とノイズ下でも、qubitコンveyorモードにより約10 m/sで99.9%以上の忠実度を達成可能であり、低全域磁場（約20 mT）とエンジニアリングされたバルク状態分裂のおかげで高忠実度が実現される。

ABSTRACT

Silicon spin qubits stand out due to their very long coherence times, compatibility with industrial fabrication, and prospect to integrate classical control electronics. To achieve a truly scalable architecture, a coherent mid-range link that moves the electrons between qubit registers has been suggested to solve the signal fan-out problem. Here, we present a blueprint of such a $\approx 10\,μ$m long link, called a spin qubit shuttle, which is based on connecting an array of gates into a small number of sets. To control these sets, only a few voltage control lines are needed and the number of these sets and thus the number of required control signals is independent of the length of this link. We discuss two different operation modes for the spin qubit shuttle: A qubit conveyor, i.e. a potential minimum that smoothly moves laterally, and a bucket brigade, in which the electron is transported through a series of tunnel-coupled quantum dots by adiabatic passage. We find the former approach more promising considering a realistic Si/SiGe device including potential disorder from the charged defects at the Si/SiO$_2$ layer, as well as typical charge noise. Focusing on the qubit transfer fidelity in the conveyor shuttling mode, we discuss in detail motional narrowing, the interplay between orbital and valley excitation and relaxation in presence of $g$-factors that depend on orbital and valley state of the electron, and effects from spin-hotspots. We find that a transfer fidelity of 99.9 \% is feasible in Si/SiGe at a speed of $\sim$10 m/s, if the average valley splitting and its inhomogeneity stay within realistic bounds. Operation at low global magnetic field $\approx 20$ mT and material engineering towards high valley splitting is favourable for reaching high fidelities of transfer.

研究の動機と目的

• スケーラブルなスピンキュービットアーキテクチャにおける信号ファンアウト問題を解決し、約10 μmのミドルレンジ電子移動をcoherentに可能にする。
• シューティング長さに依存しない制御ライン数を有する制御スキームを設計し、スケーラビリティを実現する。
• Si/SiGeヘテロ構造におけるポテンシャルの不規則性、電荷ノイズ、バルク自由度を伴う高忠実度スピン共鳴移動を達成する。
• 実際のデバイス不具合下での耐性を評価・比較する2つの動作モード（qubitコンベアーやバケツリレー）を検討する。
• 特にスピンバルク反対抗（spin-valley anticrossings）とホットスポットの存在下で、移動忠実度を最大化する材料的・運用的パラメータを同定する。

提案手法

• 長さに依存しない制御ライン数を実現するゲートアレイを用いたスピンキュービットシューティング（SQuS）デバイスアーキテクチャを提案。制御セット数を最小限に抑える。
• qubitコンベアーモードを採用。ポテンシャルの最小値を滑らかに横方向に移動させ、電子をシューティングし、断熱的遷移を最小限に抑える。
• 断熱的遷移の誤差を最小化するため、時間変化するポテンシャル下での軌道状態およびバルク状態ダイナミクスを詳細にモデル化。
• 2次摂動論を用いてスピンバルク結合を分析。磁場勾配下での人工的および内在的スピンオービタル結合から、スピンバルクギャップ Δₛᵥ ≈ 20 neV を推定。
• 平均時間での状態分布と緩和率を用いて、回避クロスイング付近の緩和およびデコherenceメカニズムを評価。
• g因子の変動、バルク分裂、スピンデコherenceの相互作用をモデル化。緩和確率の数値推定を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長さに依存しない制御信号数を有するスケーラブルなスピンキュービットシューティングを設計可能か。大規模量子プロセッサへの実用的統合を可能にするか。
• RQ2 実際の不規則性および電荷ノイズ下で、qubitコンベアーやバケツリレーのどちらの動作モードがより高い忠実度を達成するか。
• RQ3 スピンバルク反対抗およびホットスポットが移動忠実度に与える影響は何か。デバイス設計または運用条件によってこれを軽減可能か。
• RQ4 軌道状態およびバルク励起、g因子の変動がシューティング中のスピンコherenceに与える影響は何か。
• RQ5 スピンバルク反対抗およびホットスポットの存在下で、>99.9%の移動忠実度を達成するための最適な材料的・運用的パラメータ（例：磁場、バルク分裂）は何か。

主な発見

• qubitコンベアーモードは、実際の不規則性および電荷ノイズ下でバケツリレーに比べてより頑健であり、好ましい動作モードである。
• 平均バルク分裂およびその不均一性が現実的な範囲内に保たれる限り、シューティング速度約10 m/sで99.9%の移動忠実度が達成可能である。
• ホットスポット付近でのバルク混合に起因するスピン緩和は、1 m/sあたり10⁻⁵未満に抑えられ、他の誤差要因に比べて劣位である。
• 推定されたスピンバルク結合ギャップ Δₛᵥ は ≤20 neV であり、磁場勾配下での人工的または内在的スピンオービタル結合に起因する。
• 低全域磁場（約20 mT）と高いバルク分裂は、スピンバルク混合効果を最小限に抑えるため、高忠実度移動に有利である。
• 回避クロスイング付近での滞在時間は τₛᵥ ≈ Δₛᵥ / a ≈ 0.4 ns と推定され、10 m/sのシューティングではスイープ速度 a ≈ 50 μeV/ns であり、断熱的遷移を支持する。