[논문 리뷰] A 300 mm foundry silicon spin qubit unit cell exceeding 99% fidelity in all operations

Paul Steinacker, Nard Dumoulin Stuyck외 25명|arXiv (Cornell University)|2024. 10. 21.

Magnetic properties of thin films인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 300 mm CMOS 공정에서 제작된 실리콘 스핀-큐비트 이중 큐비트 소자를 시연하며, 모든 연산의 충실도가 99%를 넘고 SPAM은 99.9%를 초과한다는 것을 게이트 세트 토모그래피의 도움으로 보여준다.

ABSTRACT

Fabrication of quantum processors in advanced 300 mm wafer-scale complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) foundries provides a unique scaling pathway towards commercially viable quantum computing with potentially millions of qubits on a single chip. Here, we show precise qubit operation of a silicon two-qubit device made in a 300 mm semiconductor processing line. The key metrics including single- and two-qubit control fidelities exceed 99% and state preparation and measurement fidelity exceeds 99.9%, as evidenced by gate set tomography (GST). We report coherence and lifetimes up to $T_\mathrm{2}^{\mathrm{*}} = 30.4$ $μ$s, $T_\mathrm{2}^{\mathrm{Hahn}} = 803$ $μ$s, and $T_1 = 6.3$ s. Crucially, the dominant operational errors originate from residual nuclear spin carrying isotopes, solvable with further isotopic purification, rather than charge noise arising from the dielectric environment. Our results answer the longstanding question whether the favourable properties including high-fidelity operation and long coherence times can be preserved when transitioning from a tailored academic to an industrial semiconductor fabrication technology.

연구 동기 및 목표

• 300 mm foundry 공정에서 실리콘 이중 큐비트 소자의 정밀한 큐비트 동작을 시연한다.
• 게이트 세트 토모그래피 벤치마킹을 통해 고충실도 단일 큐비트 및 이중 큐비트 게이트를 달성한다.
• 주요 오차 원인을 식별하고 산업용 제조가 큐비트 성능에 미치는 영향을 평가한다.
• CMOS 기반 스핀 큐비트의 확장 가능성 평가를 위해 코히런스 시간과 읽기/초기화 충실도를 특성화한다.

제안 방법

• 300 mm CMOS 공정에서 스핀 읽기를 위한 인근 SET가 있는 평면 MOS 이중 양자점 소자를 제조한다.
• 공진대에서 전자 스핀 공명(on-resonance ESR)을 사용해 단일 큐비트 X 및 Z 게이트를 구동하고 프레임 회전을 위한 가상 Z 게이트를 적용한다.
• 대칭 작업점에서 펄스 교환을 통해 CZ 이중 큐비트 게이트를 구현한다.
• 오류 소스를 분해하기 위해 {I, XI, IX, ZI, IZ, CZ} 게이트 세트를 게이트 세트 토모그래피로 벤치마크한다.
• GST 실험 중 드리프트를 완화하기 위해 실시간 Larmor 주파수 추적과 피드백을 적용한다.
• 확률적 오류와 결정적 오류를 구분하고 잔류 29Si 핵 스핀의 역할을 평가하기 위해 오차 채널을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 300 mm 산업 공정에서 제조된 실리콘 스핀 큐비트 유닛 셀은 모든 작동에 대해 99%를 넘는 충실도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 산업적으로 제조된 실리콘 스핀 큐비트에서 주된 오차 원인은 무엇이며 현재 CMOS 공정 내에서 완화할 수 있는가?
• RQ3 확대된 300 mm 파운드리 제조에서도 코히런스 시간과 SPAM 성능은 학술 프로토타입과 비교하여 어떤가?
• RQ4 산업 환경에서의 동위원수 동정화 및 공정 최적화가 특정 학술 디바이스에 비해 큐비트 성능을 보존하거나 저하시키는가?

주요 결과

• 단일 큐비트 게이트 충실도: XI 99.45(5)%, IX 99.55(4)%, ZI 99.95(4)%, IZ 99.96(4)%, I 99.74(9)%.
• 이중 큐비트 게이트 충실도: CZ 99.37(5)%.
• 상태 준비 및 측정 SPAM: 전체 SPAM에 대해 99.95(8)%.
• 결합 SPAM 충실도는 99.9%를 초과하며 F_SPAM=99.95(8)%.
• 코히런스 및 수명에는 T2*가 최대 30.4(8) μs(큐비트 1) 및 29.1(6) μs(큐비트 2); T2^Hahn 최대 803(6) μs; T1은 큐비트 2에서 최대 6.3 s, 큐비트 1에서 2.4 s.
• 주요 오차는 충전 잡음보다 잔류 29Si 핵 스핀에서 기인하며 동위원 소자화가 충실도를 더욱 향상시킬 수 있음을 시사한다.