[論文レビュー] Two-qubit logic with anisotropic exchange in a fin field-effect transistor

Simon Geyer, Bence Hetényi+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2022

Quantum and electron transport phenomena参考文献 49被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、強力なスピン軌道結合によって調整可能な異方的交換相互作用を活用し、シリコンフィンフィールドエフェクトトランジスタ（FinFET）におけるホールスピンを用いて、24 ns の高精度な制御回転（CROT）2キュービットゲートを実現した。この異方性は、スピン軌道相互作用および調整可能な g-テンソル効果に起因し、磁場の向きにかかわらず、速度と忠実度のトレードオフなしに高速で高忠実度の2キュービット操作を可能にする。

ABSTRACT

Semiconductor spin qubits offer a unique opportunity for scalable quantum computation by leveraging classical transistor technology. Hole spin qubits benefit from fast all-electrical qubit control and sweet spots to counteract charge and nuclear spin noise. The demonstration of a two-qubit quantum gate in a silicon fin field-effect transistor, that is, the workhorse device of today's semiconductor industry, has remained an open challenge. Here, we demonstrate a controlled rotation two-qubit gate on hole spins in an industry-compatible device. A short gate time of 24 ns is achieved. The quantum logic exploits an exchange interaction that can be tuned from above 500 MHz to close-to-off. Significantly, the exchange is strikingly anisotropic. By developing a general theory, we show that the anisotropy arises as a consequence of a strong spin-orbit interaction. Upon tunnelling from one quantum dot to the other, the spin is rotated by almost 90 degrees. The exchange Hamiltonian no longer has Heisenberg form and is engineered in such a way that there is no trade-off between speed and fidelity of the two-qubit gate. This ideal behaviour applies over a wide range of magnetic field orientations rendering the concept robust with respect to variations from qubit to qubit. Our work brings hole spin qubits in silicon transistors a step closer to the realization of a large-scale quantum computer.

研究の動機と目的

• ホールスピンを用いたスケーラブルで産業用途に適した2キュービット量子ゲートを、シリコン・フィンFETプラットフォーム上で実現すること。
• 複雑な交換異方性のため、ホールスピンキュービットにおいて制御可能で高忠実度の2キュービット相互作用を達成するという課題を克服すること。
• ホールスピンにおける異方的交換相互作用が、速度と忠実度の両立を損なわず、両方を高めることが可能であることを実証すること。
• 量子ドットにおけるスピン軌道相互作用と交換異方性の間の一般化された理論的枠組みを確立すること。
• 磁場の向きやデバイスパラメータの変動に対しても、ゲート動作のロバスト性を検証すること。

提案手法

• プラッガーおよびバリアゲートの下で形成された二重量子ドットを有する共同プロセスで作製されたSi FinFETを用い、ホールスピンの完全な電気的制御を実現する。
• 制御キュービットにおけるマイクロ波駆動Rabi振動を用いてCROTゲートを実装し、ゲート時間を最適化して24 nsに設定する。
• ゼーマン分裂およびスピン軌道結合効果を含む一般化された交換行列形式を用いて、2スピンハミルトニアンをモデル化する。
• 交換分裂 $ J_{\parallel} = \mathbf{n}_1 \cdot \mathcal{J} \mathbf{n}_2 $ を導出し、ここで $ \mathcal{J} $ はスピン軌道回転角 $ \theta_{\text{so}} $ に依存するため、異方的チューニングが可能となる。
• 時間依存駆動下でのハミルトニアンの数値的時間発展を計算してゲート忠実度をシミュレートし、1キュービット位相を補正する。
• 実験データから全交換行列を抽出し、最適な動作点を特定するとともに、ゲート性能を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホールスピンを用いたすべての電気的制御を実現するシリコン・フィンFETで、高忠実度の2キュービットゲートを実装できるか？
• RQ2 スピン軌道相互作用はどのように交換相互作用の異方性を引き起こし、これによりゲート性能が向上するか？
• RQ3 磁場の向きやデバイスパラメータの変動に対しても、交換異方性はロバストか？
• RQ4 設計された異方性によって、ホールスピンキュービットにおけるゲート速度と忠実度のトレードオフを解消できるか？
• RQ5 g-テンソルの異方性およびスピン軌道結合は、1次元ホール系における交換相互作用の形状にどのように寄与するか？

主な発見

• 24 ns のゲート時間で制御回転（CROT）2キュービットゲートが達成され、シリコン・フィンFETにおける高速動作が実証された。
• 交換相互作用は強く異方的であり、500 MHz 以上からほぼゼロまでチューニング可能で、精密な制御が可能である。
• 異方性は、実験データへの交換行列のフィッティングにより、強力なスピン軌道結合およびg-テンソル異方性に起因することが確認された。
• 交換分裂 $ J_{\parallel} $ は、磁場の方向に応じて顕著に変化することが実験的に測定され、異方的挙動の確認が得られた。
• 理論的モデルは、さまざまな磁場の向きにおいてゲート性能を正確に予測でき、デバイスのばらつきに対してもロバストであることが示された。
• 設計された異方性のおかげで、速度と忠実度のトレードオフが存在しないため、広い磁場角度範囲で忠実度が維持された。