[論文レビュー] Probing low noise at the MOS interface with a spin-orbit qubit

Ryan Jock, N. Tobias Jacobson+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2017

Quantum and electron transport phenomena参考文献 44被引用数 37

ひとこと要約

本論文は、金属酸化膜（MOS）界面におけるシリコンスピン軌道キュービットの全電気的二軸制御を実証し、調整可能なラシバおよびドレゼルハウススピン軌道結合を用いてコherentな操作を達成している。界面における電荷ノイズが他の先進的な半導体系と同等であることが示され、同位体で純化した28Siでは1.6 μsのデcoh時間を持つことが確認され、MOSプラットフォームが低ノイズ量子計算に適していることが裏付けられた。

ABSTRACT

The silicon metal-oxide-semiconductor (MOS) material system is technologically important for the implementation of electron spin-based quantum information technologies. Researchers predict the need for an integrated platform in order to implement useful computation, and decades of advancements in silicon microelectronics fabrication lends itself to this challenge. However, fundamental concerns have been raised about the MOS interface (e.g. trap noise, variations in electron g-factor and practical implementation of multi-QDs). Furthermore, two-axis control of silicon qubits has, to date, required the integration of non-ideal components (e.g. microwave strip-lines, micro-magnets, triple quantum dots, or introduction of donor atoms). In this paper, we introduce a spin-orbit (SO) driven singlet-triplet (ST) qubit in silicon, demonstrating all-electrical two-axis control that requires no additional integrated elements and exhibits charge noise properties equivalent to other more model, but less commercially mature, semiconductor systems. We demonstrate the ability to tune an intrinsic spin-orbit interface effect, which is consistent with Rashba and Dresselhaus contributions that are remarkably strong for a low spin-orbit material such as silicon. The qubit maintains the advantages of using isotopically enriched silicon for producing a quiet magnetic environment, measuring spin dephasing times of 1.6 $μ$s using 99.95% $^{28}$Si epitaxy for the qubit, comparable to results from other isotopically enhanced silicon ST qubit systems. This work, therefore, demonstrates that the interface inherently provides properties for two-axis control, and the technologically important MOS interface does not add additional detrimental qubit noise.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子計算に不可欠なシリコンMOS界面におけるノイズとキュービット制御に関する懸念を解消すること。
• 技術的関連性と固有の不完全性にもかかわらず、MOS界面が顕著なノイズを引き起こさないことを実証すること。
• 外部のマイクロ波または磁場素子を一切用いずに、全電気的かつ二軸的なキュービット制御を達成すること。
• ダイナミカルデカップリング技術を用いて、Si/SiO2界面における電荷および磁気ノイズをプローブおよび定量すること。
• 同位体で純化した28SiをMOS構造に組み込んだ場合に、長時間のコherencyを維持できることを検証し、実用的な量子情報処理を可能とすること。

提案手法

• キュービットは、静電的ゲーティングにより交換相互作用（J）とスピン軌道結合（ΔSO）を調整可能なシリコンMOS量子ドットにおけるスイングルート・トリプレット（S-T）状態として実装している。
• 二軸制御は、交換結合（J）とスピン軌道結合（ΔSO）の併用により達成され、Bloch球面上の任意の軸まわりのラビ回転が可能となる。
• 低周波数の電荷および磁気ノイズによるデコherenceを抑制するために、ハーンエコー系列によるダイナミカルデカップリングが適用されている。
• 電荷ノイズは、全時間発展の関数としてエコー減衰を測定し、ガウス包絡線フィッティングによりT2*およびT2^echoを抽出することでプローブされている。
• 磁気ノイズは[100]方向に磁場を印加し、エコー減衰を測定することで解析され、T2m^echo ≈ 70 μsが得られた。
• 核スピンノイズを最小限に抑えるために、同位体で純化した99.95% 28Siが使用されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部のマイクロ波または磁場素子を一切用いずに、シリコンMOSスピン軌道キュービットで全電気的二軸制御が達成可能か？
• RQ2 MOSベースのキュービットにおけるSi/SiO2界面での電荷ノイズのレベルは何か？他の半導体系と比較してどうか？
• RQ3 特に同位体で純化したシリコンにおいて、MOS界面がキュービットのコherencyをどの程度劣化させるか？
• RQ4 MOS界面におけるスピン軌道結合は、コherentなキュービット回転を可能にするように調整可能か？
• RQ5 ダイナミカルデカップリングは、この系でコherency時間を有効に延長できるか？また、制限要因となるデコherence機構は何か？

主な発見

• 電荷ノイズ下でキュービットのデコherence時間T2* = 1.02 ± 0.06 μsを達成し、MOS界面に顕著な電荷ノイズが存在しないことが示された。
• 電荷ノイズ下でハーンエコーのコherency時間T2^echo = 8.4 μsであり、GaAs/AlGaAsおよびSi/SiGe系と同等の水準に達している。
• [100]方向に0.2 Tの磁場を印加した場合、磁気ノイズによるデコherence時間T2m^echo ≈ 70 μsであり、磁気フラクチュエーションからの有効なデカップリングが確認された。
• 99.95% 28Siではスピンデコherence時間T2 = 1.6 μsを達成し、他の同位体強化STキュービット系と同等の結果を得た。
• スピン軌道結合は調整可能であり、有効なラビ回転を生成するのに利用可能で、外部要素を一切用いずに完全な二軸制御が可能である。
• MOS界面は顕著な追加ノイズをもたらさず、スケーラブルでCMOS互換性のある量子計算に適していることが裏付けられた。