[論文レビュー] Gate reflectometry for probing charge and spin states in linear Si MOS split-gate arrays

Louis Hutin, Benoît Bertrand+21 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2019

Semiconductor materials and devices被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、シリコンMOS分割ゲートアレイにおける電荷状態およびスピン状態の高精度で1回の測定で行える非破壊的読み出しを実証するゲートリフレクトメトリーを提示する。2種類の異なるリフレクトメトリー方式—電気計に基づくスピン検出と直接的な量子容量センシング—を用いることで、ファブリケーションに適したSi量子ドットにおけるスピン依存の電荷ダイナミクスを高速かつ非破壊的に測定可能となり、スケーラブルなスピンキュービットアーキテクチャの実現に貢献する。

ABSTRACT

We fabricated linear arrangements of multiple splitgate devices along an SOI mesa, thus forming a 2xN array of individually controllable Si quantum dots (QDs) with nearest neighbor coupling. We implemented two different gate reflectometry-based readout schemes to either probe spindependent charge movements by a coupled electrometer with single-shot precision, or directly sense a spin-dependent quantum capacitance. These results bear significance for fast, high-fidelity single-shot readout of large arrays of foundrycompatible Si MOS spin qubits.

研究の動機と目的

• シリコンベースの量子ドットアレイにおけるスケーラブルで非破壊的な電荷およびスピン状態の読み出し手法の開発。
• ファブリケーションに適したSi MOSデバイスにおけるゲートリフレクトメトリーを用いた、スピン状態の1回の測定による検出の実現。
• 2つの補完的リフレクトメトリー方式の実証：スピン依存の電荷移動検出と、直接的なスピン依存の量子容量センシング。
• 大規模なシリコンスピンキュービットアレイにおける高速で高精度な読み出しの課題への対応。
• 最近接の隣接量子ドットを有する個別にアドレス可能なSi量子ドットの2×N線形アレイにおいて、手法の妥当性を検証。

提案手法

• SOI基板上に個別に制御可能で読み出し可能な各量子ドットを有する2×N線形アレイとして、分割ゲートSi MOS量子ドットをフォトリソグラフィで作製。
• ゲートリフレクトメトリーを用いて、電荷状態およびスピン状態遷移に起因するゲート容量の変化を検出。
• 1回の測定で高精度にスピン依存の電荷移動を検出可能な、結合した電気計方式を実装。
• 直接的な量子容量センシングを用いて、量子ドットの容量応答におけるスピン依存の変化を検出。
• リフレクトメトリー技術の高インピーダンスおよび高感度を活用し、直接的な電気的接触なしで1電子遷移を解像可能に。
• 熱雑音を低減し、量子力学的挙動を保証するため、低温下で測定を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲートリフレクトメトリーは、シリコンMOS量子ドットにおけるスピン状態の1回の測定による読み出しを達成できるか？
• RQ2 スピン依存の電荷移動は、結合した量子ドットアレイにおけるゲートリフレクトメトリー信号にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ゲートリフレクトメトリーによる直接的な量子容量センシングは、量子ドット系におけるスピン依存の変化を検出可能か？
• RQ4 スケーラブルでファブリケーションに適したSi MOSアーキテクチャにおいて、ゲートリフレクトメトリーによる読み出しの忠実度と速度はどの程度か？
• RQ5 最近接の隣接結合と個別ゲート制御は、線形アレイにおけるリフレクトメトリー応答にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ゲートリフレクトメトリーは、2×NのSi MOS量子ドットアレイにおいて、スピン依存の電荷移動を1回の測定で成功裏に検出可能であった。
• 電気計に基づくリフレクトメトリー方式は、高い感度と時間分解能を備え、スピン状態依存の電荷移動を解像した。
• ゲートリフレクトメトリーによる直接的な量子容量センシングは、量子ドットの容量におけるスピン依存の変化を検出でき、スピン状態依存性を確認した。
• この手法は、ファブリケーションに適したSi MOS技術と相性が良く、スケーラビリティを支持する。
• 測定されたリフレクトメトリー信号は、電荷状態およびスピン状態遷移の明確で再現性のあるシグナルを示しており、高忠実度の読み出しの可能性を示した。
• 結果として、ゲートリフレクトメトリーは、大規模なシリコンスピンキュービットシステムにおける高速で高精度な1回の測定による非破壊的読み出しの実現可能性を裏付けた。