[論文レビュー] Impact of electrostatic crosstalk on spin qubits in dense CMOS quantum dot arrays

Jesús D. Cifuentes, Tuomo Tanttu+21 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2023

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、CMOS量子ドットアレイにおける隣接するゲートからの静電的クロストークがスピン-軌道結合を通じてシリコンスピンキュービットにスターマックシフトを引き起こすメカニズムを理論的に解明するフレームワークを確立した。電場がキュービットのラーモア周波数を測定可能な可変性とともに調整できることを示し、デcohaseやg要因の変動を最小限に抑えるために[100]結晶方向が最適であることを特定した。これにより、大規模な量子プロセッサにおけるスケーラブルなグローバル制御が可能になる。

ABSTRACT

Quantum processors based on integrated nanoscale silicon spin qubits are a promising platform for highly scalable quantum computation. Current CMOS spin qubit processors consist of dense gate arrays to define the quantum dots, making them susceptible to crosstalk from capacitive coupling between a dot and its neighbouring gates. Small but sizeable spin-orbit interactions can transfer this electrostatic crosstalk to the spin g-factors, creating a dependence of the Larmor frequency on the electric field created by gate electrodes positioned even tens of nanometers apart. By studying the Stark shift from tens of spin qubits measured in nine different CMOS devices, we developed a theoretical frawework that explains how electric fields couple to the spin of the electrons in increasingly complex arrays, including those electric fluctuations that limit qubit dephasing times $T_2^*$. The results will aid in the design of robust strategies to scale CMOS quantum technology.

研究の動機と目的

• 隣接するゲートからの静電的クロストークが高密度CMOS量子ドットアレイにおけるスピンキュービット特性に与える影響を理解すること。
• スピン-軌道相互作用および界面の不規則性を介して電場がキュービットのラーモア周波数に与える影響を定量すること。
• スピンキュービットにおけるデコherenceとg要因の変動を最小限に抑える最適な磁場方向を同定すること。
• 複数のキュービットにわたるゲート固有のスターマックシフトの調整可能性を特徴付けるスケーラブルなフレームワークを構築すること。
• 電場結合効果を考慮することで、大規模なシリコンスピンキュービットプロセッサにおける頑健なグローバル制御プロトコルを実現すること。

提案手法

• qubit分光法を用いて、9つの異なるCMOSデバイスにおける30個のスピンキュービットで測定されたスターマックシフト。
• スピン-軌道結合を介して電場勾配とg要因の変化を結びつける理論的モデルの開発：$ \frac{dg_n}{dV_g} = \frac{dx}{dV} \cdot \vec{\nabla}g $。
• 粗いSiO₂界面におけるMOS量子ドットの原子スケールシミュレーションを実施し、不規則性の影響をモデル化。
• 磁場方向依存性をマッピングすることで、電場ノイズ寄与を分離。
• 個々のキュービットのスターマックシフト調整可能性と$ T_2^* $プロファイルを相関させ、モデルの妥当性を検証。
• 測定された$ \frac{dg_n}{dV_g} $パラメータをもとに、仮想ゲートの線形結合を用いて個々のキュービット制御をシミュレート。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 隣接するゲートからの静電的クロストークは、CMOS量子ドットアレイにおけるスピンキュービットのラーモア周波数にどのように影響を与えるか？
• RQ2 スピン-軌道結合は、シリコンベースのキュービットにおいて電場効果をスピンg要因にどのように伝えるか？
• RQ3 磁場の方向は、電場ノイズがスピンキュービットに与える結合と、その結果生じる$ T_2^* $デコherence時間にどのように影響を与えるか？
• RQ4 局所的な界面不規則性は、キュービット間でのスターマックシフト調整可能性のばらつきにどのような影響を与えるか？
• RQ5 大規模なスピンキュービットアレイにおけるゲート誘発電場効果を予測・補正できる統一されたフレームワークを構築可能か？

主な発見

• 各キュービットのg要因は局所的な不規則性により変動し、ゲート位置や電子の変位方向に応じて異なるスターマックシフト応答を示す。
• 数十ナノメートル離れたゲートからの電場がスピン-軌道結合を介して測定可能なスターマックシフトを引き起こし、その調整可能性はゲートおよびキュービットの位置に依存する。
• 磁場の[100]結晶方向がg要因のばらつきを最小限に抑え、電場ノイズ結合を低減させ、より高く一様な$ T_2^* $時間をもたらす。
• 9つのデバイスにおける30個のキュービットで測定されたスターマックシフト調整可能性は、理論的予測と$ T_2^* $プロファイルと良好に一致し、モデルの妥当性が裏付けられた。
• 各キュービット-ゲートペアの$ \frac{dg_n}{dV_g} $が事前に特徴付けられていれば、仮想ゲートの線形結合を用いた個々のキュービット制御が可能になる。
• バルク状態またはオービタルデジェネラシーが生じる場合を除き、モデルは破綻しない。この場合、オービタル混合がスピン-軌道結合を支配し、不規則性の影響は予測不能になる。