[論文レビュー] Single-electron control in a foundry-fabricated two-dimensional qubit array

Fabio Ansaloni, Anasua Chatterjee+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 41被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、パルスゲート技術とゲートリフレクトメトリーを用いた1ショット電荷読み出しにより、ファブリケートされたシリコン2×2量子ドットアレイで単一電子制御を実証している。2次元アーキテクチャにより、トンネル結合を調整可能な単一・二重・三重量子ドットのイン・スイット再構成が可能であり、二重占有を回避するサイクリックな電子シャッフルにより電子ペアの空間的交換を実現した。これは、スケーラブルなシリコンキュービットアレイにおけるトポロジカル量子計算への重要な一歩である。

ABSTRACT

Silicon spin qubits have achieved high-fidelity one- and two-qubit gates, above error correction thresholds, promising an industrial route to fault-tolerant quantum computation. A significant next step for the development of scalable multi-qubit processors is the operation of foundry-fabricated, extendable two-dimensional (2D) arrays. In gallium arsenide, 2D quantum-dot arrays recently allowed coherent spin operations and quantum simulations. In silicon, 2D arrays have been limited to transport measurements in the many-electron regime. Here, we operate a foundry-fabricated silicon 2x2 array in the few-electron regime, achieving single-electron occupation in each of the four gate-defined quantum dots, as well as reconfigurable single, double, and triple dots with tunable tunnel couplings. Pulsed-gate and gate-reflectometry techniques permit single-electron manipulation and single-shot charge readout, while the two-dimensionality allows the spatial exchange of electron pairs. The compact form factor of such arrays, whose foundry fabrication can be extended to larger 2xN arrays, along with the recent demonstration of coherent spin control and readout, paves the way for dense qubit arrays for quantum computation and simulation.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子計算を目的とした、ファブリケートされた2次元シリコン量子ドットアレイにおける単一電子制御の実証。
• トンネル結合を調整可能な能力を備えた、単一・二重・三重量子ドット構成のイン・スイット再構成の達成。
• センサードット上のゲートベースのリフレクトメトリーを用いた1ショット電荷読み出しの実装。
• 2次元アレイ内で制御された電子シャッフルにより、二重占有を伴わず電子ペアの空間的順列変更を実現すること。
• 産業的プロセスに適合し、将来のフォールトトレランス量子計算に向けたコンactなスケーラブルなアーキテクチャの確立。

提案手法

• 4つのスプリットゲート電極を備えた、ドーピングされていないシリコンナノワイヤーチャネルが、印加されたゲート電圧によって量子ドットを形成する。
• パルスゲート技術により、少数電子状態における個々の電子状態の高帯域幅制御が可能となる。
• RFキャリアとホモダイン検出を用いたゲートリフレクトメトリーにより、ワイヤーボンデッドゲート（G4）上の変調解除電圧 $V_{\mathrm{H}}$ を測定し、1ショット電荷読み出しを実現する。
• qubitドットの化学ポテンシャルを調整するための補償制御電圧 $V_{\mathrm{n}}^{\mathrm{c}}$ が、センサードット（ドット4）に影響を与えないようにキャリブレーションされている。
• 共通のトップゲートにより、アレイ全体のトンネル結合がグローバルに調整可能である。
• 制御された電子シャッフルにより、$\epsilon_2^c$–$\epsilon_3^c$ 制御平面における閉ループ電圧パスを介し、二重占有を回避した2電子のサイクリックな順列変更が実現された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファブリケートされた2次元シリコン量子ドットアレイにおいて、単一電子制御と再構成可能なマルチドット構成が達成可能か？
• RQ2 ゲートリフレクトメトリーが、高い可視性と最小限の信号劣化で少数電子状態において1ショット電荷読み出しを可能にするか？
• RQ3 2次元アレイ内で二重占有やリザボワの交換を伴わず、電子交換（空間的順列変更）が実現可能か？ これはトポロジカル操作の実現に向けた鍵となる。
• RQ4 センサーゲートと他のドット間の静電的クロストークが、分散電荷センシングの感度と分解能に与える影響はいかほどか？
• RQ5 将来の実装において、センサードットを同時にキュービットドットとして使用可能か？ これにより、高密度でスケーラブルなキュービットアレイが実現可能となる。

主な発見

• 2×2シリコン量子ドットアレイは少数電子状態で動作し、4つのゲートで定義された量子ドットすべてに単一電子占有が達成された。
• パルスゲート測定により、個々の電子の高帯域幅制御が可能であり、ドット4におけるゲートリフレクトメトリーによる1ショット電荷読み出しが実現された。
• リフレクトメトリー信号のハニカムパターン（図1d）は、ドット1およびドット4の遷移の明確な可視性を示しており、強いクロスキャパシタンスと感度の向上を示している。
• $\epsilon_2^c$–$\epsilon_3^c$ 平面上の閉ループ電圧パスにより、サイクリックな電子シャッフル（011 → 101 → 110 → 011）が実現され、二重占有を伴わず2電子の空間的順列変更が確認された。
• 1サイクルのシャッフル時間トレース（図4d）は、明確に3つの異なる電荷遷移を解像しており、制御されたトンネルを介した電子の物理的交換が確認された。
• センサードット（ドット4）は少数電子状態（6〜9電子）を維持しており、電圧スイープ中のキュービット構成の順序を検証するためにその状態が使用された。