[논문 리뷰] A single hole spin with enhanced coherence in natural silicon

P. Nicolas, Boris Brun외 15명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 21.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 자연 실리콘에서 단일 구멍 스핀 큐비트를 전자기장 조절을 통해 작동하는 센터점(sweet spot)을 이용하여 전하 노이즈 민감도를 최소화함으로써 공명 시간을 향상시킨다. 금속-산화물-반도체 장치를 사용해 단일 구멍을 전기적으로 고립시키고 자기장 방향을 조절함으로써, 저자들은 최대 88 μs의 하인-에코 공명 시간을 달성하였다—이것은 이전의 구멍 스핀 큐비트보다 10배 이상 길며, 순수한 동위원소로 정제된 실리콘에서의 최신 수준의 전자 스핀 큐비트에 가까운 성능이다.

ABSTRACT

Semiconductor spin qubits based on spin-orbit states are responsive to electric field excitation allowing for practical, fast and potentially scalable qubit control. Spin-electric susceptibility, however, renders these qubits generally vulnerable to electrical noise, which limits their coherence time. Here we report on a spin-orbit qubit consisting of a single hole electrostatically confined in a natural silicon metal-oxide-semiconductor device. By varying the magnetic field orientation, we reveal the existence of operation sweet spots where the impact of charge noise is minimized while preserving an efficient electric-dipole spin control. We correspondingly observe an extension of the Hahn-echo coherence time up to 88 $μ$s, exceeding by an order of magnitude the best reported values for hole-spin qubits, and approaching the state-of-the-art for electron spin qubits with synthetic spin-orbit coupling in isotopically-purified silicon. This finding largely enhances the prospects of silicon-based hole spin qubits for scalable quantum information processing.

연구 동기 및 목표

• 강한 스핀-오비탈 결합으로 인해 전하 노이즈로 인해 일반적으로 제한되는 자연 실리콘 내의 구멍 스핀 큐비트의 공명 시간을 연장하기 위해.
• 세로 스핀-전기 감도가 제1차로 0이 되는 작동 센터점(operating sweet spots)을 식별하고 이를 활용하여 전하 노이즈 민감도를 최소화하기 위해.
• 스핀-오비탈 결합을 통한 완전 전기 제어가 스케일러블이고 산업용 실리콘 플랫폼에서 장기 공명 시간과 함께 공존할 수 있음을 보여주기 위해.
• 자연 실리콘(동위원소 정제 없음)이 순수한 실리콘에서의 전자 스핀 큐비트 수준의 공명 시간을 갖는 구멍 큐비트를 유지할 수 있음을 검증하기 위해.

제안 방법

• 자연 실리콘 나노와이어에 제작된 네 게이트 금속-산화물-반도체 장치를 사용해 단일 구멍을 전기적으로 고립시킨다.
• 큰 스핀-오비탈 결합을 활용해 전기 dipole 스핀 공명(EDSR) 제어를 위해 고주파 게이트 전압 입력을 적용한다.
• 스핀-전기 감도가 최소가 되는 지점을 찾기 위해 3차원(×, y, z 축)에서 자기장 방향을 체계적으로 변화시킨다.
• 단일 스팟 스핀 읽기 및 공명 시간 측정을 위해 RF 반사도 및 스핀-전하 변환(Elzerman 읽기)을 사용한다.
• 6밴드 k·p 방법을 사용해 구멍의 파동함수를 모델링하여 무거운 및 가벼운 구멍 성질과 그가 스핀-오비탈 결합에 미치는 영향를 이해한다.
• 자기장 각도에 따른 하인-에코 및 CPMG 공명 시간을 측정하여 공명 향상 센터점의 지도를 그린다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전하 노이즈 민감도가 최소화되면서도 효율적인 전기 dipole 스핀 제어를 유지할 수 있는 구멍 스핀 큐비트에서 작동 센터점이 존재할 수 있는가?
• RQ2 최적의 자기장 방향에서 자연 실리콘 내 단일 구멍 스핀 큐비트의 최대 달성 가능한 하인-에코 공명 시간은 얼마인가?
• RQ3 자연 실리콘 내의 구멍 스핀 큐비트 공명 시간은 동위원소로 정제된 실리콘 내 전자 스핀 큐비트와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 자연 실리콘(동위원소 농도 향상 없음)을 사용할 경우 구멍 스핀 큐비트의 공명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 파동함수의 무거운 및 가벼운 구멍 성분이 스핀-오비탈 결합과 공명 향상에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 최적의 자기장 방향에서 구멍 스핀 큐비트의 하인-에코 공명 시간은 88 μs에 도달하여 이전의 구멍 스핀 큐비트보다 10배 이상 향상되었다.
• 세로 스핀-전기 감도가 제1차로 0이 되는 작동 센터점이 확인되었으며, 이는 전하 노이즈 민감도가 크게 감소했음을 의미한다.
• 자연 실리콘 내 공명 시간은 동위원소로 정제된 실리콘 내 전자 스핀 큐비트의 최신 수준에 도달했으며, 자연 실리콘의 스케일러블 양자 컴퓨팅 가능성에 대한 타당성을 입증한다.
• 300 mm 웨이퍼 전체에서 높은 수율과 균일성을 보였으며, 네 게이트 장치 중 90%가 기능했고, 임계 전압 분포가 균일함(σ = 22 mV)으로 고품질 공정 제어를 나타낸다.
• 측정된 g 인자가 평면 내 자기장 각도에 따라 변동함을 확인하여, 이질적인 스핀-오비탈 결합이 존재하고 전기장에 대한 큐비트 반응을 정밀하게 조절할 수 있음을 입증한다.
• 공명 향상 메커니즘은 저주파 전하 노이즈 및 준정적 변동(예: 가능한 초합성 상호작용 포함)의 억제와 관련이 있으며, T2와 LSES 간의 상관 분석을 통해 밝혀졌다.