[논문 리뷰] A spin qubit in a fin field-effect transistor

Leon C. Camenzind, Simon Geyer외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 12.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 42인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 4 K 이상에서 작동하는 초고속, 전적으로 전기적 제어 방식의 홀 스핀 큐비트를 실현하는 확장 가능한 실리콘 필드형 전계효 transistor (FinFET)를 제시한다. 이 온도는 통합된 고전적 제어 전자회로와 호환된다. 장치는 고장내성 임계값에 도달하는 단일 큐비트 게이트 허용도를 달성하고, mK 온도에서의 홀 스핀 큐비트와 비교해도 균등하거나 이를 초월하는 공명 시간을 확보한다. 이는 산업용 공정 기술과 고주파 전기적 제어(최대 150 MHz)를 활용한 것이다.

ABSTRACT

Quantum computing's greatest challenge is scaling up. Several decades ago, classical computers faced the same problem and a single solution emerged: very-large-scale integration using silicon. Today's silicon chips consist of billions of field-effect transistors (FinFETs) in which current flow along the fin-shaped channel is controlled by wrap-around gates. The semiconductor industry currently employs fins of sub-10$\,$nm width, small enough for quantum applications: at low temperature, an electron or hole can be trapped under the gate and serve as a spin qubit. An attractive benefit of silicon's advantageous scaling properties is that quantum hardware and its classical control circuitry can be integrated in the same package. This, however, requires qubit operation at temperatures greater than 1$\,$K where the cooling is sufficient to overcome the heat dissipation. Here, we demonstrate that a silicon FinFET is an excellent host for spin qubits that operate even above 4$\,$K. We achieve fast electrical control of hole spins with driving frequencies up to 150$\,$MHz and single-qubit gate fidelities at the fault-tolerance threshold. The number of spin rotations before coherence is lost at these hot temperatures already matches or exceeds values on hole spin qubits at mK temperatures. While our devices feature both industry compatibility and quality, they are fabricated in a flexible and agile way to accelerate their development. This work paves the way towards large-scale integration of all-electrical and ultrafast spin qubits.

연구 동기 및 목표

• 기존 CMOS 공정 및 고전적 제어 전자회로와 호환되는 확장 가능한 실리콘 기반 스핀 큐비트 플랫폼을 개발하기 위해.
• 열 방출이 관리 가능하고 고전적 제어와의 통합이 가능한 조건인 1 K 이상의 온도에서 스핀 큐비트를 작동시키기 위해.
• 필드형 전계효 트랜지스터 아키텍처에서 홀 스핀의 고정밀도, 초고속 전기적 제어를 실현하기 위해.
• 고온에서 고장내성 임계값에 도달하는 공명 시간과 게이트 허용도를 입증하기 위해.

제안 방법

• 게이트 전압에 의해 채널 내에 단일 홀을 고립시키기 위해 10 nm 이하의 필드 폭을 가진 실리콘 필드형 전계효 트랜지스터를 사용하기 위해.
• 자기장 효과(제이만 효과)와 스핀 궤도 결합을 통해 전기적 게이팅을 이용해 고립된 홀의 스핀 상태를 제어하기 위해.
• 초고속 단일 큐비트 회전을 위해 최대 150 MHz까지의 고주파 전기적 구동을 구현하기 위해.
• 고전적 제어 회로와의 통합을 가능하게 하기 위해 4 K 이상의 온도에서 장치를 작동시키기 위해.
• 산업 규모의 실리콘 기술과 호환되는 민첩하고도 융통성 있는 공정 기술을 적용하기 위해.
• 고온에서의 큐비트 성능 평가를 위해 게이트 허용도와 공명 시간을 측정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 필드형 전계효 트랜지스터는 4 K 이상에서 안정적으로 작동하는 고정밀도, 전적으로 전기적 제어 방식의 스핀 큐비트를 구현할 수 있는가?
• RQ2 필드형 전계효 트랜지스터 기반 홀 스핀 큐비트에서 단일 큐비트 작동을 위한 최대 전기적 구동 주파수는 얼마인가?
• RQ3 필드형 전계효 트랜지스터에 구현된 홀 스핀 큐비트의 공명 시간과 게이트 허용도는 밀리켈빈 온도에서의 값과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 필드형 전계효 트랜지스터의 확장성과 산업적 호환성은 대규모 양자 컴퓨팅 아키텍처에 얼마나 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 필드형 전계효 트랜지스터에 구현된 홀 스핀 큐비트는 4 K 이상의 온도에서 성공적으로 작동하여 고전적 제어 전자회로와의 통합이 가능하다.
• 장치는 최대 150 MHz까지의 전기적 구동 주파수를 통해 홀 스핀의 제어를 실현하여 초고속 단일 큐비트 작동이 가능하다.
• 단일 큐비트 게이트 허용도가 고장내성 임계값에 도달하여 대규모 양자 계산에 필수적인 조건을 충족한다.
• 4 K 이상의 온도에서 디코herence 전까지의 공명 스핀 회전 횟수는 밀리켈빈 온도에서의 홀 스핀 큐비트 성능과 비교해도 균등하거나 이를 초월한다.
• 공정 과정은 민첩하고도 융통성 있어 신속한 개발이 가능하며 산업용 실리콘 기술과 호환된다.
• 이 시스템은 단일 패키지 양자 프로세서 내에서 전적으로 전기적, 초고속 스핀 큐비트의 대규모 통합로드를 제시한다.