[論文レビュー] Gate-sensing coherent charge oscillations in a silicon field-effect transistor

M. Fernando González-Zalba, S. N. Shevchenko+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2016

Quantum and electron transport phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、高周波共振器によるゲートセンシングを用いて、シリコンナノワイヤフィールド効果トランジスタにおいて整合性のある電荷振動および分散的読み出しを実証している。共振器の位相応答におけるLandau-Zener-Stückelberg-Majorana干渉を観測することで、著者らは電荷コherence時間 $ T_2 \approx 100 \, \text{ps} $ を抽出し、CMOS準拠トランジスタがスケーラブルな量子制御および電荷キュービットの測定を可能にすることを裏付けた。

ABSTRACT

Quantum mechanical effects induced by the miniaturization of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology hamper the performance and scalability prospects of field-effect transistors. However, those quantum effects, such as tunnelling and coherence, can be harnessed to use existing CMOS technology for quantum information processing. Here, we report the observation of coherent charge oscillations in a double quantum dot formed in a silicon nanowire transistor detected via its dispersive interaction with a radio-frequency resonant circuit coupled via the gate. Differential capacitance changes at the inter-dot charge transitions allow us to monitor the state of the system in the strong-driving regime where we observe the emergence of Landau-Zener-St{ü}ckelberg-Majorana interference on the phase response of the resonator. A theoretical analysis of the dispersive signal demonstrates that quantum and tunnelling capacitance changes must be included to describe the qubit-resonator interaction. Furthermore, a Fourier analysis of the interference pattern reveals a charge coherence time, $T_2\approx 100$~ps. Our results demonstrate charge coherent control and readout in a simple silicon transistor and open up the possibility to implement charge and spin qubits in existing CMOS technology.

研究の動機と目的

• CMOS準拠のシリコンナノワイヤトランジスタにおける二重量子ドット（DQD）の整合性のある操作および分散的読み出しを実証すること。
• 強い駆動下における、量子的およびトンネル化容量がキュービット-共振器相互作用に与える影響を調査すること。
• Landau-Zener-Stückelberg-Majorana干渉パターンのフーリエ解析を用いて、電荷コherence時間 $ T_2 $ を抽出すること。
• 既存のCMOS技術を用いて、スケーラブルな電荷キュービットの制御および読み出しプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 50 nmのラップアラウンドゲートを有する完全デプリート型シリコンオンインシュレータ（SOI）ナノワイヤトランジスタを用い、正方形断面チャネルにおけるコーナーエフェクトにより二重量子ドットを形成する。
• ゲートをMHz周波数の高Q共振器に結合させ、二重ドット間の電荷遷移における微分容量の変化を通じて、分散的電荷センシングを可能にする。
• 変動する周波数のマイクロ波駆動により、DQD準位の反クロスを介した強いコherentなラビ様振動を励起し、Landau-Zener-Stückelberg-Majorana（LZSM）干渉計測を実現する。
• 共振器の位相応答を測定し、フーリエ変換することでデコherenceダイナミクスを抽出し、逆空間における減衰率を用いて $ T_2 $ を決定する。
• 理論的モデリングでは、バンド曲率に起因する量子容量と、高速な状態再配分に起因するトンネル化容量の両方を分散的相互作用に組み込む。
• 実験的妥当性確認として、3つのマイクロ波駆動領域（コherent、非コherent、中間）を用い、コherence時間の推定値を相互に検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲートセンシングおよび共振器ベースの分散的検出を用いて、シリコンCMOSトランジスタ内での整合性のある電荷振動を観測および制御できるか？
• RQ2 量子容量およびトンネル化容量の寄与が、速やかに緩和する系におけるキュービット-共振器相互作用にどのように寄与するか？
• RQ3 強い駆動下における二重量子ドットの電荷コherence時間 $ T_2 $ は、LZSM干渉パターンから抽出されるか？
• RQ4 共振器の位相応答のフーリエ変換は、CMOS統合キュービット系におけるデコherenceダイナミクスを正確に明らかにできるか？

主な発見

• 著者らは、強い駆動下における二重量子ドットの整合的制御を裏付ける、共振器の位相応答に明確なLandau-Zener-Stückelberg-Majorana干渉縞を観測した。
• 干渉パターンのフーリエ変換により、電荷コherence時間 $ T_2 $ が $ 100 \pm 50 \, \text{ps} $ として抽出され、他の半導体二重ドット系で報告された値と整合的である。
• 共振器の分散的応答が、バンド曲率に起因する量子容量と、高速な状態再配分に起因するトンネル化容量の両方の寄与によって生じることを示し、両者が正確なモデリングに不可欠であることを明らかにした。
• コherence時間は、3つのマイクロ波駆動周波数（34 GHz：コherent、干渉あり；26 GHz：中間、明確な1周期の振動；14 GHz：非コherent、干渉なし）で確認され、$ f_{\text{mw}} \approx T_2^{-1} $ との整合性が裏付けられた。
• 本結果は、既存のCMOS技術が、インサイト・センシングによる読み出しと整合的制御を併せ持つスケーラブルな電荷キュービットアーキテクチャを実現可能であることを示している。