[論文レビュー] Engineering inter-qubit exchange coupling between donor bound electrons in silicon

Yu E. Wang, Archana Tankasala+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2015

Quantum and electron transport phenomena参考文献 24被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、シリコンドナー量子ビットにおける2つのキュービット間の交換結合を電気的に制御するデチューニングゲート設計を提案する。非対称2P-1P系を用いることで、わずかな電場（約3 MV/m）で交換エネルギー（J）を最大5桁のスケールで変調可能であり、複雑なJゲートの必要性を排除し、Jの振動を緩和し、さまざまなドナー間隔においても頑健な2キュービットゲート操作を実現する。これはケイン構造のスケーラブルな代替手段を提供する。

ABSTRACT

We investigate the electrical control of the exchange coupling (J) between donor bound electrons in silicon with a detuning gate bias, crucial for the implementation of the two-qubit gate in a silicon quantum computer. We find the asymmetric 2P-1P system provides a highly tunable exchange-curve with mitigated J-oscillation, in which 5 orders of magnitude change in the exchange energy can be achieved using a modest range of electric field for 15 nm qubit separation. Compared to the barrier gate control of exchange in the Kane qubit, the detuning gate design reduces the demanding constraints of precise donor separation, gate width, density and location, as a range of J spanning over a few orders of magnitude can be engineered for various donor separations. We have combined a large-scale full band atomistic tight-binding method with a full configuration interaction technique to capture the full two-electron spectrum of gated donors, providing state-of-the-art calculations of exchange energy in 1P-1P and 2P-1P qubits.

研究の動機と目的

• シリコンにおけるドナーベース量子計算の2キュービットゲートにおける電気的変調範囲の制限を解決すること。
• 正確なドナー配置、狭いゲート幅、高密度ゲートを要するケイン構造の厳しい製造制約を克服すること。
• さまざまなドナー間隔においても高いコherencesと変調性を維持する、スケーラブルで頑健な2キュービットゲート設計を開発すること。
• デチューニングゲートを用いた非対称2P-1Pドナーシステムが、対称1P-1Pシステムに比べて交換結合の制御性において優れていることを示すこと。
• イオン化や波動関数の重なりの問題を回避するデチューニングゲートを活用し、Jを複数桁のスケールで変調可能な実用的代替手段を提供すること。

提案手法

• 原子レベルの精度でドナーチャンクの電子構造をモデル化するため、大規模な原子的フルバンドタイトバインディング（TB）法を用いる。
• Sentaurusを用いて静電的デバイスシミュレーションを行い、ゲートに起因する電場およびポテンシャルの分布を計算する。
• 全配置相互作用（FCI）技術を適用し、さまざまな電場下での2電子スペクトルおよび交換エネルギー（J）を正確に計算する。
• [100]方向に15 nmのキュービット間隔をとる1P-1Pおよび2P-1Pドナーシステムをモデル化し、ドナーをSi/SiO₂界面から約10 nm下に配置する。
• トップゲートまたはインプレーンゲート（例：STMパターン）を用い、横方向のデチューニング電場を印加してポテンシャルエネルギーの傾きを調整し、(1,1)状態から(2,0)状態への電荷再分配を可能にする。
• 複数のデバイス構成および電場範囲において、ケインのJゲートアーキテクチャと比較して、本研究のデチューニングゲート設計の交換変調性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デチューニングゲートは、ケイン構造のJゲートに比べて、交換結合（J）の変調性を著しく向上させることができるか？
• RQ2 2P-1Pシステムは1P-1Pシステムに比べて、Jの変調性およびイオン化効果や振動に対する耐性において優れているか？
• RQ3 デチューニングゲートは、原子スケールのドナー配置誤差や結晶運動量効果に起因するJの感度をどの程度低減できるか？
• RQ4 実用的な電場（約3 MV/m）を用いたデチューニングゲート構成で、交換エネルギーの変調範囲はどの程度達成可能か？
• RQ5 イオン化を回避し、界面状態やゲートノイズへの感受性を低減することで、デチューニングゲート設計は高いコヒーレンスを維持できるか？

主な発見

• 非対称2P-1P系は、わずかな電場（約3 MV/m）を用いることで、交換結合（J）を最大5桁のスケールで変調可能であり、ケイン構造を著しく上回る性能を示した。
• デチューニングゲートは、1P-1Pシステムの変調性を、均一電場によるデチューニングに比べて50倍向上させ、実用的ゲート構成下で0.5 μeVから22.1 μeVまで変調可能となった。
• 結晶運動量効果に起因するJの振動は、特に2P-1P構成において、ドナー間隔の変動に対する感受性が低いため、デチューニングゲート設計で緩和された。
• 本設計はJゲートの必要性を排除し、ゲート密度を低減し、ドナー配置、ゲート幅、アライメント精度に関する制約を緩和した。
• 最適な動作範囲では、電子がSi/SiO₂界面にイオン化されず、量子ビットのコヒーレンスが保持され、識別性の喪失を防いだ。
• 15 nm程度のドナー間隔の範囲においても、高い忠実度の交換制御が達成され、実用的な量子計算実装に向けたスケーラビリティと頑健性を示した。