[論文レビュー] Deterministic Single Ion Implantation with 99.87% Confidence for Scalable Donor-Qubit Arrays in Silicon

Alexander Jakob, Simon G. Robson+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 51被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、オンチップの電荷感受性電子回路と走査型プローブイオンアパーチャーを用いて、シリコンにおけるホスファルスイオンの決定的単一イオンイオンプレートを99.87%の信頼度で実証し、スケーラブルな量子コンピューティングのためのドナー量子ビットの正確な配置を可能にした。低エネルギーイオンビーム（14 keV）、リアルタイムのイオン検出、ビームブランキングを組み合わせることで、二重イオンインプラントを抑制し、ほぼ理想に近いインプラント適合度を達成した。

ABSTRACT

The attributes of group-V-donor spins implanted in an isotopically purified $^{28}$Si crystal make them attractive qubits for large-scale quantum computer devices. Important features include long nuclear and electron spin lifetimes of $^{31}$P, hyperfine clock transitions in $^{209}$Bi and electrically controllable $^{123}$Sb nuclear spins. However, architectures for scalable quantum devices require the ability to fabricate deterministic arrays of individual donor atoms, placed with sufficient precision to enable high-fidelity quantum operations. Here we employ on-chip electrodes with charge-sensitive electronics to demonstrate the implantation of single low-energy (14 keV) P$^+$ ions with an unprecedented $99.87\pm0.02$% confidence, while operating close to room-temperature. This permits integration with an atomic force microscope equipped with a scanning-probe ion aperture to address the critical issue of directing the implanted ions to precise locations. These results show that deterministic single-ion implantation can be a viable pathway for manufacturing large-scale donor arrays for quantum computation and other applications.

研究の動機と目的

• 大規模な量子コンピューティングのためのスケーラブルなドナービットアレイの製造を可能にするために、ドーパント原子を個々に決定的に配置することを目的とする。
• 従来のイオンインプラントの確率的性質が、大規模な量子デバイスにおける制御の制限と誤り率の上昇を引き起こすのを克服することを目的とする。
• 高信頼度で単一イオンインプラントを保証する方法を実証し、アレイ内の不具合や欠落した量子ビットを最小限に抑えることを目的とする。
• オンチップの電荷感受性電子回路と走査型プローブイオンアパーチャーを統合し、個々のイオンインプラントのリアルタイム検出と制御を可能にすることを目的とする。
• 室温での決定的インプラントの実現可能性を検証し、故障耐性のある量子アーキテクチャにとって不可欠な、二重インプラントの発生を最小限に抑えた環境を提供することを目的とする。

提案手法

• 走査型プローブイオンアパーチャーを通じて、14 keVの低エネルギーP+イオンビームをシリコンデバイス上の特定の位置に照射した。
• オンチップの電荷感受性電子回路を用いて、各イオンが放出する電荷をリアルタイムに検出し、インプラントの即時の確認を可能にした。
• 100 nsの最小パルス幅を持つビームブランキングを適用し、二重インプラントを抑制し、複数のイオン到着確率を低減した。
• 二重インプラント確率を $ P_{\mathrm{DI}} = \mathrm{e}^{-\tau r_{\mathrm{Ion}}} $ で計算した。ここで $ \tau \approx 100\,\mathrm{ns} $ かつ $ r_{\mathrm{Ion}} \approx 1\,\mathrm{s}^{-1} $ であり、$ P_{\mathrm{DI}} \sim 10^{-7} $ が得られた。
• TRIMおよびCrystal-TRIMコードを用いてイオン透過およびエネルギー損失をシミュレートし、Fano統計と検出器ノイズを組み込んで信号予測の正確性を高めた。
• Crystal-TRIMを修正し、電子的エネルギー損失にFunstenモデルを組み込み、ロビンソンモデルと比較して低エネルギーSiリコイルの精度を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温に近い環境下で、シリコンにおける決定的単一イオンインプラントを高信頼度で達成できるか？
• RQ2 リアルタイムの電荷検出とビームブランキングを用いた場合、単一イオンインプラントの最大信頼度はどの程度達成可能か？
• RQ3 100 nsのパルス幅を持つビームブランキングは、低レートのイオンインプラントにおける二重インプラント確率にどのように影響するか？
• RQ4 修正されたエネルギー損失モデルを用いたTRIMおよびCrystal-TRIMシミュレーションは、実験的なイオン信号スペクトルをどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 オンチップの電荷感受性電子回路と走査型プローブイオンアパーチャーの統合により、量子コンピューティングのためのドナー原子を正確かつ決定的に配置できるか？

主な発見

• 実験では、$ 99.87 \pm 0.02\% $ の決定的単一イオンインプラント信頼度を達成し、ほぼ理想に近い適合度を示した。
• 二重インプラント確率は $ \sim 10^{-7} $ と測定され、インプラント適合度への影響が無視できるほど小さいことが確認された。
• 実験測定による信号スペクトルは、Fano統計と検出器ノイズを組み込んだCrystal-TRIMによるシミュレーションスペクトルと一致し、シミュレーションモデルの妥当性が裏付けられた。
• 電子的エネルギー損失にFunstenモデルを組み込んだ修正版Crystal-TRIMコードは、ロビンソンモデルと比較して実験データとの一致が良好であった。
• 本手法により、室温での決定的インプラントが可能となり、既存のシリコンプロセスと整合し、スケーラブルな量子デバイスアーキテクチャに適した条件を満たした。
• 電荷感受性電子回路と走査型プローブイオンアパーチャーの統合により、個々のイオンインプラントのリアルタイム検出と制御が可能となり、スケーラブルなドナービットアレイにとって不可欠な要素となった。