[論文レビュー] Intrinsic Noise of the Single Electron Box

Laurence Cochrane, Ashwin A. Seshia+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、周期的ゲート電圧励起下での確率的電子トンネルによる内在的電流ノイズを分析することにより、無線周波数単一電子ボックス（SEB）のノイズモデルを構築する。マスター方程式の形式とマコフモンテカルロシミュレーションを用いて、ノイズが周期定常的であることが特定され、信号対ノイズ比に顕著な影響を及ぼすスペクトル相関が存在することを示し、実験的検出およびノイズ低減のための条件を提示することで、読み取り忠実度の向上に寄与する。

ABSTRACT

The radio-frequency Single-Electron Box is becoming an attractive charge sensor for semiconductor-based quantum computing devices due to its high sensitivity and small footprint, which facilitates the design of highly connected qubit architectures. However, an understanding of its ultimate sensitivity is missing due to the lack of a noise model. Here, we quantify the intrinsic noise of the Single-Electron Box arising from stochastic cyclic electron tunnelling between a quantum dot and a reservoir driven by a periodic gate voltage. We use both a master equation formalism and Markov Monte Carlo simulations to calculate the gate noise current, and find the noise mechanism can be represented as a cyclostationary process. We consider the implications of this cyclostationary noise on the ultimate sensitivity of Single-Electron Box sensors for fast, high-fidelity readout of spin qubits, in particular evaluating results for radio-frequency reflectometry implementations and the backaction of the sensor on a qubit. Furthermore, we determine the conditions under which the intrinsic noise limit could be measured experimentally and techniques by which the noise can be suppressed to enhance qubit readout fidelity.

研究の動機と目的

• 半導体量子コンピューティングにおける有望な電荷センサとしての無線周波数単一電子ボックス（SEB）における内在的ノイズをモデル化する理論的・計算的フレームワークを確立すること。
• 単一電子トランジスタ（SET）の標準的なショットノイズモデルに類似したSEB用のノイズモデルが欠如しているという問題に取り組むこと。
• 時間変動するノイズスペクトルおよびスペクトル相関が、rfリフレクトメトリーベースのスピン量子ビット読み取りにおける信号対ノイズ比に与える影響を定量的に評価すること。
• SEBの内在的ノイズ限界が測定可能となる実験的条件を特定し、測定忠実度の向上に向けた低減戦略を提示すること。

提案手法

• 周期的ゲート励起下でのSEBの確率的電子トンネルを、マスター方程式のアプローチを用いて周期定常的過程として定式化する。
• 時間依存の電流ノイズスペクトル密度 $ S_I(t, u) $ を導出する。これは駆動周波数 $ u_0 $ に起因して時間の周期関数として扱われる。
• 時間変動するノイズダイナミクスを捉えるために、$ S_I(t, u) $ のフーリエ成分として定義されるスペクトル相関関数 $ S_I^{n heta_0}( u) $ を導入する。
• 時間非一様なマコフ過程を支配する電子トンネル現象を、離散的時間ステップ $ au = T/N_ ext{Δ} $ を用いてマコフモンテカルロシミュレーションで実行する。
• SEBの小信号等価回路（量子容量およびシシフス抵抗を含む）をモデル化し、ラプラス領域の伝達関数から導出されたIIRデジタルフィルタを介してトンネルイベントからのフィードバックを統合する。
• 局所発振器を用いたダウンミキシングとローパスフィルタの適用、その後のデシメーションおよびパワー・スペクトル密度推定により、数値的に同期検波を実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高周波数周期的ゲート励起下におけるSEBの内在的ノイズはどのように振る舞い、周期定常的過程として記述可能か？
• RQ2 rfリフレクトメトリーベースの量子ビット読み取りにおいて、スペクトル相関関数 $ S_I^{n heta_0}( u) $ が信号対ノイズ比を低下または向上させる役割を果たすか？
• RQ3 SEBの内在的ノイズ限界が測定可能となる実験的条件は何か。また、検出可能性に影響を与える主要なパラメータは何か？
• RQ4 SEBの内在的ノイズをどのように低減すれば、高速かつ高忠実度のスピン量子ビット読み取りの忠実度が向上するか？

主な発見

• SEBの内在的ノイズは定常的ではなく、周期定常的であり、ノイズスペクトル密度 $ S_I(t, u) $ が駆動周波数 $ u_0 $ に同期して周期的に変化する。これは、標準的な定常的ノイズモデルの不適切さを示している。
• スペクトル相関関数 $ S_I^{n heta_0}( u) $ — これはノイズの高調波に類似している — は、同期検波後の信号対ノイズ比に顕著な影響を及ぼすため、信号処理において考慮すべきである。
• シミュレーションにより、$ N_ ext{Δ} = 2^{11} $ サンプル/サイクルでスペクトル相関推定値の収束が確認され、数値的手法による正確なノイズ特徴化の妥当性が裏付けられた。
• ゼロ周波数ノイズパワー スペクトル $ S_X(0) $ は、FFTベースのピリオドグラムを用いて推定され、標準誤差は $ N = 500 $ 回のシミュレーション試行から導出された。
• ノイズの周期定常的性質により、局所発振器の位相 $ heta $ に従って測定ノイズパワーがトロコイダルに変調され、$ S_X( heta) = S_X^0 + riangle S_X an(2 heta + heta_0) $ で記述される。これにより $ S_X $ と $ riangle S_X $ の抽出が可能となる。
• 本モデルにより、内在的ノイズが支配的になるパラメータ領域の特定が可能となり、実験的検出および低減戦略のためのロードマップが提供される。