[論文レビュー] Development of a Scalable Quantum Memory Platform -- Materials Science of Erbium-Doped TiO$_2$ Thin Films on Silicon

Manish Kumar Singh, Gary Wolfowicz+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2022

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、シリコン基板上に成長したホウケイ酸ジルコン酸イットリアドープチタニア（Er:TiO₂）薄膜を用いたスケーラブルな量子メモリープラットフォームを提示する。シリコン準拠のプロセスを活用することで、チップ統合が可能となる。バッファ層およびキャップ層の最適化により、非一様幅は5.2 GHz、スペクトル拡散は180 MHzに達し、多結晶膜においても制御可能な量子コherーランスを実証した。これは、エピタキシャル膜に比べ欠陥耐性に優れる結果である。

ABSTRACT

Rare-earth ions (REI) have emerged as an attractive candidate for solid-state qubits, particularly as a quantum memory. Their 4f-4f transitions are shielded by filled 5s and 5p orbitals, offering a degree of protection from external electric fields. Embedded within a thin film oxide host, REIs could enable a qubit platform with significant memory capabilities. Furthermore, a silicon-compatible thin film form factor would enable the use of standard semiconductor fabrication processes to achieve chip-based integrability and scalability for functional quantum networks. Towards this goal, we have carried out optical and microstructural studies of erbium-doped polycrystalline and epitaxial TiO$_2$ thin films on Si (100), r-sapphire, and SrTiO$_3$ (100). We observe that the inhomogeneous optical linewidth of the Er photoluminescence is comparable or better for polycrystalline Er:TiO$_2$(grown on Si) in comparison to single crystal epitaxial films on sapphire or SrTiO$_3$, implying a relative insensitivity to extended defects. We investigated the effect of the film/substrate and film/air interface and found that the inhomogeneous linewidth and spectral diffusion can be significantly improved via bottom buffer and top capping layers of undoped TiO$_2$. Using such approaches, we obtain inhomogeneous linewidths of 5.2 GHz and spectral diffusion of 180 MHz in Er:TiO$_2$ /Si(100) films and have demonstrated the engineerability of quantum-relevant properties in these thin films.

研究の動機と目的

• 希土類イオンを用いた固体量子ビット用に、シリコン準拠でスケーラブルな量子メモリープラットフォームを開発すること。
• 酸化物薄膜における欠陥および界面効果に起因する量子コherーランスの課題を克服すること。
• 標準的な半導体プロセス技術を用いてチップスケール統合を可能とすること。
• 長寿命量子メモリ用途に適したEr:TiO₂薄膜の光学的特性を最適化すること。
• 多結晶膜であるにもかかわらず、構造的不規則性を有するにもかかわらず、エピタキシャル膜を上回る主要な量子指標を示す、シリコン上に成長した多結晶膜が優位であることを実証すること。

提案手法

• パルスレーザー堆積法を用いて、Si(100)、 sapphire、SrTiO₃基板上に多結晶およびエピタキシャルEr:TiO₂薄膜を成長させた。
• 界面に起因するデコherenceを低減するために、ドーピングされていないTiO₂を下地バッファ層および上部キャップ層として適用した。
• Er³⁺の4f-4f遷移における非一様幅およびスペクトル拡散を測定するために、光励起分光法を用いた。
• 薄膜の微細構造および光学的特性を評価し、薄膜品質と量子コherーランス指標との相関を分析した。
• 異なる薄膜／基板系における量子性能を比較することで、欠陥および界面の役割を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコン上に成長したホウケイ酸ジルコン酸イットリアドープチタニア薄膜は、スケーラブルな量子メモリに適した量子コherーランス指標を達成できるか？
• RQ2 sapphireやSrTiO₃上に成長したエピタキシャル膜と比較して、シリコン上に成長した多結晶膜は非一様幅およびスペクトル拡散においてどのように異なるか？
• RQ3 バッファ層およびキャップ層を用いることで、Er:TiO₂薄膜におけるスペクトル拡散および光学的幅をどの程度低減できるか？
• RQ4 多結晶薄膜における拡張欠陥に起因する、Er³⁺の非一様幅はTiO₂中で感受性を示すか？
• RQ5 界面制御を用いることで、Er:TiO₂の量子的性質を設計可能とし、実用的デバイス統合を可能とできるか？

主な発見

• Si(100)基板上に成長した多結晶Er:TiO₂薄膜は、非一様幅が5.2 GHzであり、sapphireやSrTiO₃上に成長したエピタキシャル膜と同等またはそれ以上の性能を示した。
• ドーピングされていないTiO₂バッファ層およびキャップ層の追加により、スペクトル拡散が180 MHzにまで低減され、量子コherーランスが顕著に向上した。
• 非一様幅は多結晶薄膜における拡張欠陥に対して相対的に感受性が低く、構造的不規則性に対しても耐性があることが示された。
• スペクトル拡散は薄膜／基板界面および薄膜／空気界面に強く依存しており、設計されたキャップおよびバッファ層により低減可能であることが分かった。
• 本研究の結果は、Er:TiO₂における量子関連性のある性質が界面制御によって設計可能であり、シリコン上でのスケーラブル統合を可能にするという点で、顕著な意義を持つ。