[논문 리뷰] Blueprint of a scalable spin qubit shuttle device for coherent mid-range qubit transfer in disordered Si/SiGe/SiO$_2$

Veit Langrock, Jan A. Krzywda외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 23.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 Si/SiGe/SiO₂에서 스핀 큐비트 셔틀의 확장 가능한 블루프린트를 제시하여, 길이에 관계없이 최소한의 제어선을 사용해 약 10 μm의 중거리 전자 이동을 비결합적으로 가능하게 한다. 실질적인 불순물과 노이즈 조건 하에서 qubit 컨veyor 모드를 통해 약 10 m/s 속도에서 99.9% 이상의 정밀도를 달성함을 보여주며, 낮은 전역 자기장(~20 mT)과 공학된 밸리 분리에 의해 높은 정밀도가 가능하다.

ABSTRACT

Silicon spin qubits stand out due to their very long coherence times, compatibility with industrial fabrication, and prospect to integrate classical control electronics. To achieve a truly scalable architecture, a coherent mid-range link that moves the electrons between qubit registers has been suggested to solve the signal fan-out problem. Here, we present a blueprint of such a $\approx 10\,μ$m long link, called a spin qubit shuttle, which is based on connecting an array of gates into a small number of sets. To control these sets, only a few voltage control lines are needed and the number of these sets and thus the number of required control signals is independent of the length of this link. We discuss two different operation modes for the spin qubit shuttle: A qubit conveyor, i.e. a potential minimum that smoothly moves laterally, and a bucket brigade, in which the electron is transported through a series of tunnel-coupled quantum dots by adiabatic passage. We find the former approach more promising considering a realistic Si/SiGe device including potential disorder from the charged defects at the Si/SiO$_2$ layer, as well as typical charge noise. Focusing on the qubit transfer fidelity in the conveyor shuttling mode, we discuss in detail motional narrowing, the interplay between orbital and valley excitation and relaxation in presence of $g$-factors that depend on orbital and valley state of the electron, and effects from spin-hotspots. We find that a transfer fidelity of 99.9 \% is feasible in Si/SiGe at a speed of $\sim$10 m/s, if the average valley splitting and its inhomogeneity stay within realistic bounds. Operation at low global magnetic field $\approx 20$ mT and material engineering towards high valley splitting is favourable for reaching high fidelities of transfer.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 스핀 큐비트 아키텍처에서 신호 분할 문제를 해결하기 위해 약 10 μm의 중거리 전자 이동을 비결합적으로 가능하게 하는 것.
• 셔틀 길이에 관계없이 제어선 수가 일정한 제어 방식을 설계하여 확장성 확보.
• Si/SiGe 이종구조에서 잠재적 불순물, 전하 노이즈, 밸리 자유도 존재 조건 하에서도 높은 정밀도의 스핀-결합 이동 달성.
• 실제 장치 결함 조건 하에서 두 운영 모드—qubit 컨베이어와 버킷 브리지—의 내구성 평가 및 비교.
• 특히 스핀-밸리 반대교차점과 핫스팟 존재 조건에서 전송 정밀도를 극대화하는 데 기여하는 재료 및 운영 조건 파라미터 규명.

제안 방법

• 셔틀 길이에 관계없이 제어선 수를 줄일 수 있도록, 제어 세트로 연결된 게이트 어레이 기반의 스핀 큐비트 셔틀(SQuS) 장치 아키텍처 제안.
• 전이 가능한 잠재 에너지 최소값을 수평으로 부드럽게 이동시켜 전자를 운반하는 qubit 컨베이어 모드 도입으로 비결합 전이를 최소화.
• 비결합 오차를 최소화하기 위해 애디아바틱 진화를 활용하며, 시간에 따라 변하는 잠재 에너지 하에서 궤도 및 밸리 상태 역학에 대한 세부 모델링 수행.
• 2차 섭동 이론을 통해 스핀-밸리 결합 분석하고, 인공적 및 본질적 스핀-오비트 결합에서 유도된 스핀-밸리 갭 Δₛᵥ ≈ 20 neV 추정.
• 피할 수 있는 교차점 근처의 시간 평균 상태 분포 및 붕괴 비율을 사용해 붕괴 및 회복 메커니즘 평가.
• g-요소 변화, 밸리 분리, 스핀 붕괴 간 상호작용 모델링 및 붕괴 확률 수치적 추정 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 셔틀 길이에 관계없이 제어 신호 수가 일정한 확장 가능한 스핀 큐비트 셔틀을 설계할 수 있는가? 이는 대규모 양자 프로세서에 실용적으로 통합 가능하게 하는가?
• RQ2 실제 불순물과 전하 노이즈 조건 하에서 Si/SiGe 이종구조에서 qubit 컨베이어 모드와 버킷 브리지 모드 중 어느 것이 더 높은 정밀도를 달성하는가?
• RQ3 스핀-밸리 반대교차점과 핫스팟은 전송 정밀도에 어떤 영향을 미치며, 장치 설계나 운영 조건를 통해 이를 완화할 수 있는가?
• RQ4 궤도 및 밸리 자극, g-요소 변화는 셔틀 중 스핀 결합성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 최적의 재료 및 운영 조건(예: 자기장, 밸리 분리)은 무엇이며, >99.9% 전송 정밀도 달성을 위한 최적의 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 실제 불순물과 전하 노이즈 조건 하에서 qubit 컨베이어 모드가 버킷 브리지 모드보다 더 내구성이 뛰어나 선호되는 운영 모드임을 입증.
• 평균 밸리 분리 및 그 비균일성이 실질적인 범위 내에 유지될 경우, 셔틀 속도 약 10 m/s에서 99.9%의 전송 정밀도 달성이 가능함.
• 핫스팟 근처에서 밸리 혼합으로 인한 스핀 붕괴 기여도는 1 m/s당 10⁻⁵ 이하로, 다른 오차 원인에 비해 열등함.
• 추정된 스핀-밸리 결합 갭 Δₛᵥ는 ~20 neV 이하이며, 자기장 기울기 존재 조건 하에서 인공적 또는 본질적 스핀-오비트 결합에 기인함.
• 낮은 전역 자기장(~20 mT)과 높은 밸리 분리는 스핀-밸리 혼합 효과를 최소화하여 고정밀 전송 달성에 유리함.
• 피할 수 있는 교차점 근처 체류 시간은 τₛᵥ ≈ Δₛᵥ / a ≈ 0.4 ns로 추정되며, 10 m/s 셔틀링 조건에서 스윕 속도 a ≈ 50 μeV/ns로 애디아바틱 진화를 지원함.