[論文レビュー] Conditional dispersive readout of a CMOS quantum dot via an integrated transistor circuit

Simon Schaal, Sylvain Barraud+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2017

Quantum and electron transport phenomena参考文献 53被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ラumped LC共振器を用いた条件付き分散的読み出しを実現する、モノリシックCMOS統合量子ドットと制御フィールド効果トランジスタ（FET）の組み合わせを示している。FETを'ON'状態にすることでゲートベースのrfリフレクトメトリーを感受性高く可能にし、'OFF'状態では1つの電子を電荷として保持することで、ミリケルビン温度で165 µe/Hz¹²の電荷感度と約1秒間の単一電子保持時間を達成した。これは、時間多重化・すべてシリコンの量子古典プロセッシングへの第一歩を可能にする。

ABSTRACT

Quantum computers require interfaces with classical electronics for efficient qubit control, measurement and fast data processing. Fabricating the qubit and the classical control layer using the same technology is appealing because it will facilitate the integration process, improving feedback speeds and offer potential solutions to wiring and layout challenges. Integrating classical and quantum devices monolithically, using complementary metal-oxide-transistor (CMOS) processes, enables the processor to profit from the most mature industrial technology for the fabrication of large scale circuits. Here we demonstrate the integration of a single-electron charge storage CMOS quantum dot with a CMOS transistor for control of the readout via gate-based dispersive sensing using a lumped element $LC$ resonator. The control field-effect transistor (FET) and quantum dot are fabricated on the same chip using fully-depleted silicon-on-insulator technology. We obtain a charge sensitivity of $δq=165\, μe \mathrm{Hz}^{-1/2}$ when the quantum dot readout is enabled by the control FET. Additionally, we observe a single-electron retention time of the order of a second when storing a single-electron charge on the quantum dot at milli-Kelvin temperatures. These results demonstrate first steps towards time-based multiplexing of gate-based dispersive qubit readout in CMOS technology opening the path for the development of an all-silicon quantum-classical processor.

研究の動機と目的

• スケーラブルなモノリシックCMOSプラットフォームを構築し、量子ドットと古典的制御・読み出し回路を統合すること。
• 1本のデータラインと制御FETを用いて、ゲートベース分散的キュービット読み出しの時間ベース多重化を可能にすること。
• CMOS統合量子ドット上でrfリフレクトメトリーを用いた感受性の高い低温適合電荷センシングを実証すること。
• フローティングゲート構成における単一電子の長時間保持を達成すること。
• 標準CMOSプロセスを用いて量子回路と古典回路を同一チップ上に統合する可能性を評価すること。

提案手法

• 1つの電子を貯蔵する量子ドットと制御FETを内蔵する完全デプリート型シリコンオンインシュレータ（SOI）CMOSチップのプロセス。
• 量子ドットの電荷状態を分散的ラジオ周波数リフレクトメトリーで測定するため、ラumped素子LC共振器の使用。
• 制御FETを'ON'（センシング有効）と'OFF'（電荷保持）の状態に切り替えることで、条件付き読み出しを実現。
• 量子ドットのゲートを共振器に結合されたセンサとして機能させるゲートベース分散的センシングの適用。
• 時間領域多重化を用いて、ミリケルビン温度下での電荷感度と電子保持時間を測定。
• スケーラビリティを評価するため、動的パワー式 P = CFET × fop × (∆V)² を用いて1デバイスあたりの発熱を推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリケルビン温度下で、CMOS統合フィールド効果トランジスタを用いて量子ドットの分散的読み出しを条件付きで有効化できるか？
• RQ2 制御FETが'ON'状態にある場合、ゲートベースrfリフレクトメトリーの実現可能な電荷感度はどの程度か？
• RQ3 ミリケルビン温度下で、フローティングゲート量子ドットに1つの電子を安定して保持できる時間はどの程度か？
• RQ4 1本のデータラインと1つの制御FETを用いて、複数の量子ドットの時間多重読み出しを実現できるか？
• RQ5 このようなCMOS統合量子古典アーキテクチャにおける1デバイスあたりの推定発熱量はどの程度か？

主な発見

• 制御FETが'ON'状態にある際、電荷感度は165 µe/Hz¹²に達し、感受性の高い分散的読み出しを実現した。
• ミリケルビン温度下で、単一電子の電荷保持時間が1秒を超えることが確認され、逐次多重化に適していることが示された。
• 制御FETにより条件付き読み出しを実現：分散応答はFETが'ON'のときのみ観測され、測定を選択的に可能にした。
• 1デバイスあたりの推定発熱は13 nWであり、100 mKの冷却装置に最大30,000トランジスタが動作可能である理論的上限に達した。
• 量子ドット、制御FET、共振器を1枚のCMOSチップ上に統合したことで、時間多重化・すべてシリコンの量子古典プロセッサへの実現可能性が示された。
• 結果は、CMOSプロセス互換性と時間分割多重化によるキュービット読み出しを用いた大規模アレイへのスケーリングの可能性を支持する。