[論文レビュー] Shared control of a 16 semiconductor quantum dot crossbar array

Francesco Borsoi, Nico W. Hendrickx+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、平面的ゲルマニウム中の16量子ドットからなるクロスバー配列を、制御端子数をサブリニアに抑えた（T = 6g^{1/2} − 1）戦略的な配置のプレンジャー門およびバリア門を用いて共有制御することで実現した。すべてのドットを少数ホール状態にチューニングし、10 GHzを超えるチューニング範囲を有する選択的相互ドットトンネル結合を可能にしたことで、1量子ビットあたり1本未満の制御ラインでスケーラブルな量子ビット制御を達成した。これは、故障耐性量子計算への重要な一歩を示している。

ABSTRACT

The efficient control of a large number of qubits is one of most challenging aspects for practical quantum computing. Current approaches in solid-state quantum technology are based on brute-force methods, where each and every qubit requires at least one unique control line, an approach that will become unsustainable when scaling to the required millions of qubits. Here, inspired by random access architectures in classical electronics, we introduce the shared control of semiconductor quantum dots to efficiently operate a two-dimensional crossbar array in planar germanium. We tune the entire array, comprising 16 quantum dots, to the few-hole regime and, to isolate an unpaired spin per dot, we confine an odd number of holes in each site. Moving forward, we establish a method for the selective control of the quantum dots interdot coupling and achieve a tunnel coupling tunability over more than 10 GHz. The operation of a quantum electronic device with fewer control terminals than tunable experimental parameters represents a compelling step forward in the construction of scalable quantum technology.

研究の動機と目的

• 固体状態量子計算におけるスケーラビリティのボトルネックに対処する。ここでは、1量子ビットごとに制御ラインを割り当てるブルートフォース制御がスケールアップに耐えられなくなる。
• 古典的ランダムアクセスシステムにインspiredされた共有制御アーキテクチャを考案し、必要な制御端子数を削減する。
• 最小限の共有制御ラインを用いて、半導体量子ドットの2次元配列を効率的かつスケーラブルに制御することを目的とする。
• 高精度かつ高チューニング範囲を有するクロスバー構造において、ドット間トンネル結合を選択的にチューニングすることを目的とする。
• 全デバイスを少数ホール状態に完全にチューニングし、電荷安定性ダイアグラムによる個々の量子ドットの同定を通じて、手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 歪みを加えたゲルマニウム量子井戸内に、プレンジャー門と二重バリア門（UBおよびLB層）を用いて16個の量子ドットを定義した2次元クロスバー構造を採用した。
• バーチャルゲート技術を用いて、電荷安定性ダイアグラムの遷移を特定の量子ドットにマッピングし、正確な同定と制御を可能にした。
• 各量子ドットが2つの直交するゲート層からの重複する制御ラインによってアドレス指定される共有制御戦略を実装し、総端子数を削減した。
• 138 mKで偏光線フィッティングを用いてトンネル結合を抽出するため、2次元電荷安定性マップを取得する自動測定シーケンスを適用した。
• レバーアームモデル（αε = 0.012(4) eV/V）を用いてトンネル結合をキャリブレーションし、データを指数関数的減衰関数 A·e^{-BVg} にフィットさせ、有効バリアレバーアームを抽出した。
• 確率ベースのモデリング（w_{(i,j),(k,l)} = p_{U,(i,j)} · p_{L,(k,l)}）を用いてゲートクロスカップリング効果を推定し、制御の信頼性を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲルマニウム中の16量子ドットクロスバー配列は、共有制御を用いて完全に少数ホール状態にチューニング可能か？
• RQ2 共有制御ラインを用いて、ドット間トンネル結合をどの程度選択的にチューニングできるか？
• RQ3 共有制御アーキテクチャにおいて、バリア門が遠く離れた量子ドットに与えるクロスカップリング効果は、制御の信頼性にどのように影響するか？
• RQ4 制御端子数を最小限に抑えたクロスバー配列において、電荷安定性ダイアグラムを個々の量子ドットに信頼性を持ってマッピングできるか？
• RQ5 共有制御クロスバー構造におけるトンネル結合のチューニング範囲はどの程度か？

主な発見

• 16ドットすべてが少数ホール状態に成功してチューニングされ、奇数のホール占有状態を達成した。これは、スピン量子ビットの初期化に不可欠な条件である。
• 共有制御ラインを用いて、10 GHzを超えるトンネル結合のチューニングが達成され、スケーラブルなアーキテクチャにおける高いチューニング範囲を実証した。
• 下部バリア（UB）ゲートの有効バリアレバーアームは 0.007 ± 0.002 mV⁻¹ であったのに対し、上部バリア（LB）ゲートは 0.021 ± 0.003 mV⁻¹ であり、LBゲートが結合制御により効果的であることが示された。
• 上段のドットでは、LBゲートのレバーアームが 0.026 ± 0.003 mV⁻¹ であった。これは、配列全体にわたる一貫性ある性能を示している。
• ゲートクロスカップリングの確率モデルでは、ターゲットドットでの最大値が 0.25～0.5 に達しており、垂直方向のゲート-ドット距離（60 nm以上）に起因する長距離ゲート影響と整合的であった。
• 自動測定と150トレースの平均化を用いて、全30×30の電荷安定性マップを数時間で取得し、高精度なトンネル結合抽出を可能にした。