[論文レビュー] Si/SiGe QuBus for single electron information-processing devices with memory and micron-scale connectivity function

Ran Xue, Max Beer+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2023

Quantum and electron transport phenomena参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、6つの調整可能な電圧パルスのみを用いて10 µmの距離で高精度なマイクロメートルスケールの単一電子シャッフルを実現する、完全に電気的なSi/SiGe量子バス（QuBus）を提案する。このデバイスは、19 µmの往復輸送において記録的なシャッフル忠実度（99.7 ± 0.3）%を達成し、スケーラブルでスピンを保存する電荷輸送を実現し、大規模なスピンキュービットアーキテクチャへの応用が期待される量子コンピューティングに貢献する。

ABSTRACT

The connectivity within single carrier information-processing devices requires transport and storage of single charge quanta. Our all-electrical Si/SiGe shuttle device, called quantum bus (QuBus), spans a length of 10 $\mathrmμ$m and is operated by only six simply-tunable voltage pulses. It operates in conveyor-mode, i.e. the electron is adiabatically transported while confined to a moving QD. We introduce a characterization method, called shuttle-tomography, to benchmark the potential imperfections and local shuttle-fidelity of the QuBus. The fidelity of the single-electron shuttle across the full device and back (a total distance of 19 $\mathrmμ$m) is $(99.7 \pm 0.3)\,\%$. Using the QuBus, we position and detect up to 34 electrons and initialize a register of 34 quantum dots with arbitrarily chosen patterns of zero and single-electrons. The simple operation signals, compatibility with industry fabrication and low spin-environment-interaction in $^{28}$Si/SiGe, promises spin-conserving transport of spin qubits for quantum connectivity in quantum computing architectures.

研究の動機と目的

• 量子情報処理のためのスケーラブルで、すべて電気的な単一電子輸送デバイスを、記憶機能とマイクロメートルスケールの接続性を備えて開発すること。
• 不純物の影響により電荷の局在が約100 nmに制限される従来のワイヤーの限界を克服すること。
• 長寿命のスピンコherencesを実現するのに有望な28Si/SiGeヘテロ構造におけるスピンを保存する電子輸送を可能にすること。
• 最小限の制御信号のセットを用いて、量子ドットの連鎖において最大34個の電子の信頼性の高い初期化と検出を実現すること。
• 局所的なシャッフル忠実度および大規模量子デバイスにおける不完全要因をベンチマークするための新規な特徴付け手法「シャッフルトモグラフィー」を導入すること。

提案手法

• QuBusデバイスは、10 µmの長さでドーピングされていないSiGe/Si/SiGe量子井戸を有するSi/SiGeヘテロ構造上に作製され、スプリットゲートによって1次元電子チャンネル（1DEC）が閉じ込められる。
• 1DECの上に配置された2つの金属層にまたがる100個以上のクラーヴァー（clavier）ゲートが、静電的ゲーティングによって可動する量子ドット（QD）を形成し、コンベアモードによる単一電子のシャッフルを可能にする。
• シャッフルは6つの制御端子（S1–S4、TLP、TLB1）を用い、順次電圧パルスを印加することで断熱的に電子をチャンネルに沿って輸送する。
• 左端に配置された単一電子トランジスタ（SET）は、QD₀における電子の存在を高い空間分解能および電荷分解能で検出する。
• シャッフルトモグラフィーを特徴付けプロトコルとして導入：繰り返しシャッフルサイクル後に検出忠実度を測定することで、ローディング誤り、検出誤り、1ステップごとのシャッフル誤りを分離する。
• 誤差解析には関係式 $ F(n) = (1 - ho_{ ext{LD}}) imes (1 - ho_{ ext{shuttle}})^{2n} $ を用い、$ F(n) $ を2n回のシャッフルステップ後の観測忠実度とすることで、個々の誤差確率を抽出可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Si/SiGeヘテロ構造において、マイクロメートルスケールの距離で高精度な、完全に電気的な単一電子シャッフルを達成できるか？
• RQ2 10 µmのチャンネルを通過する間にシャッフル忠実度はどの程度低下するか？スケーラブルな量子コンピューティングに必要な水準を維持できるか？
• RQ3 大規模量子デバイスにおける局所的なポテンシャルの不規則性やゲートの不完全性は、単一電子プローブを用いてどのようにプローブおよび定量できるか？
• RQ4 6つの電圧パルスの最小限のセットで、量子ドットの連鎖において最大34個の電子の初期化、輸送、検出を制御できるか？
• RQ5 Si/SiGeにおけるコンベアモードシャッフルはスピンコherencesを保存するか？その結果、スピンベースの量子コンピューティングアーキテクチャへの応用が可能か？

主な発見

• QuBusは、合計19 µm（10 µm前進、9 µm後退）の輸送距離において、単一電子シャッフル忠実度が（99.7 ± 0.3）%に達し、高精度な長距離電荷輸送を実証した。
• 1回のシャッフルステップあたりの平均誤差は $ ho_{ ext{shuttle}} = 1 - F_{ ext{step}} = 0.004\text{%} $ であり、1ステップあたりの忠実度は $ F_{ ext{step}} = 99.996\text{%} $ に相当し、95%信頼区間が保証されている。
• ローディングおよび検出誤差 $ ho_{ ext{LD}} $ は 0.7% に測定され、数千回の参照測定において誤検出（偽陽性）が観測されなかったことから、検出プロセスが極めて信頼性が高いことが示された。
• デバイスは、単一およびゼロ個の電子を任意のパターンで占有する量子ドットの連鎖において、最大34個の電子の初期化と検出をサポートしている。
• 6つの制御端子のみを用いることで、複雑な複数電子状態の準備と輸送が可能となり、従来のゲートアレイと比較して制御の複雑さが顕著に低減された。
• 28Si/SiGeにおける低いスピン環境相互作用と断熱的輸送の組み合わせにより、スピンキュービットを高精度で輸送可能であると示唆され、スケーラブルな量子接続性の実現が可能である。