[논문 리뷰] Charge-based silicon quantum computer architectures using controlled single-ion implantation

Andrew S. Dzurak, Lloyd C. L. Hollenberg외 14명|arXiv (Cornell University)|2003. 06. 11.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 32인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 제어된 단일 이온 주입을 통해 인산화물 기여자 원자를 20 nm 이내 정밀도로 위치시키는 전하 기반 실리콘 양자컴퓨터 아키텍처를 제안한다. 두 개의 인 기여자 원자(약 50 nm 간격)로부터 이중 Well 잠재력을 형성함으로써 전자의 공간 상태에 따라 큐비트를 인코딩하고, 이중 RF 단일 전자 트anz스터와 전압 제어 게이트를 이용해 고속이고 노이즈에 강건한 독출을 실현한다.

ABSTRACT

We report a nanofabrication, control and measurement scheme for charge-based silicon quantum computing which utilises a new technique of controlled single ion implantation. Each qubit consists of two phosphorus dopant atoms ~50 nm apart, one of which is singly ionized. The lowest two energy states of the remaining electron form the logical states. Surface electrodes control the qubit using voltage pulses and dual single electron transistors operating near the quantum limit provide fast readout with spurious signal rejection. A low energy (keV) ion beam is used to implant the phosphorus atoms in high-purity Si. Single atom control during the implantation is achieved by monitoring on-chip detector electrodes, integrated within the device structure, while positional accuracy is provided by a nanomachined resist mask. We describe a construction process for implanted single atom and atom cluster devices with all components registered to better than 20 nm, together with electrical characterisation of the readout circuitry. We also discuss universal one- and two-qubit gate operations for this architecture, providing a possible path towards quantum computing in silicon.

연구 동기 및 목표

• 제어된 단일 이온 주입을 이용한 실리콘 기반 양자컴퓨터의 확장 가능하고 상향식 제조 방법을 개발한다.
• 표면 제어 게이트와 독출 장치에 대해 인 기여자 원자의 정밀한 단일 원자 위치를 확보하는 데 핵심적인 과제를 해결한다.
• 모든 장치 구성 요소의 20 nm 이내 정렬을 달성하여 실리콘에서 전하 기반 큐비트 작동을 가능하게 한다.
• 전압 펄스와 이중 RF 단일 전자 트anz스터를 이용해 보편적인 1-큐비트 및 2-큐비트 게이트 작동 경로를 시연한다.
• 통합된 칩 내 검출 전극과 저노이즈 측정 기술을 통해 잡음 신호 거부 기능을 갖춘 고정밀 큐비트 독출을 확보한다.

제안 방법

• 고순도 실리콘 기판에 인 원자를 도입하기 위해 저에너지(keV) 이온 빔 주입을 수행한다.
• 실시간으로 단일 이온 주입을 모니터링하고 제어하기 위해 장치 구조 내에 칩 내 검출 전극을 통합한다.
• 나노밀링된 리트로스 마스크를 사용하여 기여자 원자의 위치 정확도를 20 nm 이내로 확보한다.
• 두 개의 인 기여자 원자(~50 nm 간격)를 이용해 이중 Well 잠재력을 형성하고, 한 원자는 단일 이온화 상태로 유지하여 논리 큐비트 상태를 정의한다.
• 표면 게이트(B-gate 및 S-gates)를 적용하여 장벽 높이와 잠재력 대칭성을 제어하여 큐비트 조작을 가능하게 한다.
• 양자 한계 근처에서 작동하는 이중 RF 단일 전자 트anz스터를 사용하여 고속이고 고감도의 전하 독출을 실현하고 노이즈 거부 기능을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제어된 단일 이온 주입이 표면 게이트 및 독출 장치에 대해 인 기여자 원자를 20 nm 이내 정렬할 수 있는가?
• RQ2 이중 RF 단일 전자 트anz스터를 사용해 실리콘에서 단일 전자 전하 상태를 고속이고 노이즈에 강건하게 독출하는 것이 가능한가?
• RQ3 전압 펄스를 사용해 실리콘의 이중 기여자 시스템에서 보편적인 1-큐비트 및 2-큐비트 양자 게이트 작동을 구현할 수 있는가?
• RQ4 전하 기반 Si:P 큐비트에서 지배적인 분산 메커니즘은 무엇이며, 이를 완화하여 공명 게이트 작동을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 제조 공정이 저표면 트랩 밀도를 갖춘 장치를 신뢰성 있게 생산할 수 있는가? 이를 통해 큐비트의 공명을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 제조 공정이 구성 요소의 정렬을 20 nm 이내로 달성하여 제어 게이트 및 독출 전극에 대해 인 기여자 원자의 정밀한 위치를 가능하게 한다.
• 장치 구조 내에 통합된 칩 내 검출 전극을 통해 제어된 단일 이온 주입이 실시간 이온 도착 모니터링이 가능함을 시연하였다.
• 전하 큐비트는 두 개의 인 원자로부터 형성된 이중 Well 잠재력에서 전자의 공간 상태에 의해 정의되며, 논리 상태 |0⟩과 |1⟩은 각각 왼쪽 및 오른쪽 국소화에 해당한다.
• 이중 RF 단일 전자 트anz스터는 잡음 신호 거부 기능을 갖춘 고속·고감도 독출을 제공하여 양자 한계 수준의 단일 전하 검출이 가능하다.
• 계산된 게이트 작동 시간은 약 50 ps로, 스핀 기반 Si:P 큐비트의 약 ~1 μs 작동 시간보다 훨씬 빠르다.
• 음향파 및 존슨 노이즈로 인한 분산 시간은 수 마이크로초 수준으로 추정되며, 이는 게이트 작동 시간보다 훨씬 길어 공명이 게이트 작동에 충분히 유지된다는 것을 시사한다.