[論文レビュー] Rapid high-fidelity gate-based spin read-out in silicon

Guoji Zheng, Nodar Samkharadze+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2019

Quantum and electron transport phenomena参考文献 31被引用数 29

ひとこと要約

この論文は、シリコンの二重量子ドットのゲート電極と統合されたオンチップ超伝導共振器を用いて、迅速で高精度の1ショットスピン読み出しを実証している。共振器透過率を測定することで電荷感受率を評価し、わずか6 μsで98%を超える平均精度を達成した。これにより、外部の電気計測器を必要とせず、周波数多重化によるスケーラブルな読み出しを可能にする。

ABSTRACT

Silicon spin qubits form one of the leading platforms for quantum computation. As with any qubit implementation, a crucial requirement is the ability to measure individual quantum states rapidly and with high fidelity. As the signal from a single electron spin is minute, different spin states are converted to different charge states. Charge detection so far mostly relied on external electrometers, which hinders scaling to two-dimensional spin qubit arrays. As an alternative, gate-based dispersive read-out based on off-chip lumped element resonators were introduced, but here integration times of 0.2 to 2 ms were required to achieve single-shot read-out. Here we connect an on-chip superconducting resonant circuit to two of the gates that confine electrons in a double quantum dot. Measurement of the power transmitted through a feedline coupled to the resonator probes the charge susceptibility, distinguishing whether or not an electron can oscillate between the dots in response to the probe power. With this approach, we achieve a signal-to-noise ratio (SNR) of about six within an integration time of only 1 $μ$s. Using Pauli's exclusion principle for spin-to-charge conversion, we demonstrate single-shot read-out of a two-electron spin state with an average fidelity of $>$98% in 6 $μ$s. This result may form the basis of frequency multiplexed read-out in dense spin qubit systems without external electrometers, therefore simplifying the system architecture.

研究の動機と目的

• 外部の電荷検出器を必要とせず、スケーラブルで高精度な1ショットスピン読み出しをシリコンスピンキュービットで実現すること。
• 密集したキュービットアレイにおいて、オフチップの電気計測器や大型の共振器がもたらす制限を克服すること。
• オンチップ超伝導共振器を用いて、高い感度と帯域幅を持つゲートベース分散読み出しを実現すること。
• キュービットのコherenecの時間スケールと整合する時間枠内で、故障耐性の閾値を超える1ショット精度を達成すること。
• 2次元スピンキュービット系におけるスケーラブルな読み出しを可能にする周波数多重化を実現すること。

提案手法

• Si/SiGeヘテロ構造上にスパッタリング法で作成したNbTiN薄膜を用いて、高品質因子（Q ≈ 2600）かつ高インピーダンスのオンチップ超伝導共振器をフォトリソグラフィーで作製した。
• 2つのゲート電極が定義する二重量子ドット（DQD）と共振器を結合させ、電荷感受率の測定によりゲートベース分散読み出しを実現した。
• 共振器に接続されたフィードラインを通した透過率測定により、共鳴応答を測定し、電荷応答を介してスイングレット状態とトライプレット状態を区別した。
• パウリスピンブロッキングを用いて2電子スピン状態を電荷状態にマッピングし、スイングレット状態はT₁ ≈ 160 μsで基底状態のトライプレット状態に崩壊した。
• 6 μs間の信号積分により、SNR（信号対雑音比）が約6に達し、スピン状態間の閾値ベースの識別が可能となった。
• 積分信号振幅の二峰性分布を、リラクゼーション効果を含むノイズ拡張ガウシアンでフィッティングし、読み出し精度を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オンチップ超伝導共振器は、シリコン二重量子ドットにおける高精度で高速な1ショットスピン読み出しを可能にするか？
• RQ2 ゲートベース分散読み出しは、量子誤り訂正の故障耐性閾値を超えるために十分な感度と帯域幅を達成できるか？
• RQ3 T₁ ≈ 160 μsという比較的短い時間でも、オンチップ共振器を用いて10 μs以内に1ショット精度を98%以上に達成できるか？
• RQ4 キュービットゲートと直接統合された共振器により、周波数多重化が可能となり、大規模アレイのシステム構造が簡素化できるか？
• RQ5 高Qのオンチップ共振器を用いた場合、ゲートベーススピン読み出しの達成可能な精度と積分時間はどの程度か？

主な発見

• オンチップ超伝導共振器は、積分時間1 μsで信号対雑音比（SNR）が約6に達した。
• 積分時間6 μsを超えると、1ショットスピン読み出し精度が98%を超えた。9 μsでの平均精度は98.4%であった。
• トライプレット状態の精度は99.5%、スイングレット状態の精度は97.3%であり、9 μs積分時間での可視度は96.9%であった。
• T₁ ≈ 160 μsという短い時間でも、共振器の高い感度と帯域幅のおかげで、10 μs未満で高精度な読み出しが可能となった。
• T₁を4.5 msに外挿し、積分時間を16 μsにした場合、期待される精度は99.9%に達し、故障耐性閾値を大きく上回った。
• 本手法により、外部の電気計測器や貯留池を必要とせず、密なスピンキュービットアレイにおけるスケーラブルで周波数多重化された読み出しを実現した。