[논문 리뷰] Coherent control of electron spin qubits in silicon using a global field

Ensar Vahapoglu, James Slack-Smith외 14명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 30.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 37인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이방성 다이에렉트릭 공진기(KTO)를 통해 외부에서 생성된 전자기장으로 실리콘 큐비트에서 일관된 라비 진동을 구현함으로써, 칩 내 전송선이 없이도 대규모 스핀 기반 양자 컴퓨팅을 위한 확장 가능한 저복잡도 경로를 확립한다. 전반적인 마이크로파 자기장으로 인해 Rabi 주파수 >1 MHz, 동기화 시간 약 10 μs를 달성하였다.

ABSTRACT

Silicon spin qubits promise to leverage the extraordinary progress in silicon nanoelectronic device fabrication over the past half century to deliver large-scale quantum processors. Despite the scalability advantage of using silicon technology, realising a quantum computer with the millions of qubits required to run some of the most demanding quantum algorithms poses several outstanding challenges, including how to control so many qubits simultaneously. Recently, compact 3D microwave dielectric resonators were proposed as a way to deliver the magnetic fields for spin qubit control across an entire quantum chip using only a single microwave source. Although spin resonance of individual electrons in the globally applied microwave field was demonstrated, the spins were controlled incoherently. Here we report coherent Rabi oscillations of single electron spin qubits in a planar SiMOS quantum dot device using a global magnetic field generated off-chip. The observation of coherent qubit control driven by a dielectric resonator establishes a credible pathway to achieving large-scale control in a spin-based quantum computer.

연구 동기 및 목표

• 외부 칩의 마이크로파 자기장을 이용한 실리콘에서의 단일 전자 스핀 큐비트의 일관된 제어를 보여주며, 칩 내 전송선을 피함으로써 제어를 수행한다.
• 기존의 국소 제어 방법과 비교해, 다이에렉트릭 공진기를 통한 전역 제어가 큐비트의 동기화 성능을 떨어뜨리는지 평가한다.
• 알루미늄 기반의 열산화 알루미나(thermally grown AlOx)와 ALD를 이용한 알루미나(AlOx)를 사용한 팔라듐(Pd) 게이트와 알루미늄(Al) 게이트의 소자 간 노이즈 및 붕괴 특성을 비교한다.
• 전체 칩에 걸쳐 단일 마이크로파 소스와 단일 공진기를 사용해 스핀 큐비트 제어의 확장 가능성을 평가한다.
• 동기화에 영향을 주는 재료 기반 노이즈 원인을 규명하고 게이트 재료 최적화를 통한 향상 방안을 제안한다.

제안 방법

• 3D 칼륨 tantalate(KTO) 다이에렉트릭 공진기를 외부에 배치하여 평면형 SiMOS 双 큐비트 디바이스 전체에 균일한 전역 마이크로파 자기장(B1)을 생성하였다.
• 국소 전기 게이트를 사용해 개별 큐비트의 공진 주파수를 전역 B1 필드의 주파수와 일치시키거나 이격시켜 선택적 큐비트 제어를 가능하게 하였다.
• 공진 주파수에서 마이크로파 펄스를 인가하여 라비 진동 측정을 수행하고, 스핀 상태 간의 일관된 인구 전이를 관찰하였다.
• Hahn 에코 동기화 시간(T2^Hahn)과 Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG) 노이즈 스펙트로스코피를 측정하여 붕괴 및 노이즈 특성을 비교하였다.
• 이번 연구에서 사용한 팔라듐(Pd) 게이트와 ALD AlOx 절연체를 사용한 소자와 기존의 알루미늄(Al) 게이트 및 열산화 AlOx를 사용한 기준 소자 간의 동기화 및 노이즈 성능을 비교하였다.
• 다이에렉트릭 공진기의 품질 인자(Qi ≈ 780)와 마이크로파 출력(≈20 μW)이 큐비트 제어 정밀도와 불필요한 가열 또는 결합에 미치는 영향을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 칩의 다이에렉트릭 공진기를 통해 생성된 전역 마이크로파 자기장을 이용해 실리콘 큐비트에서 일관된 단일 스핀 라비 진동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 기존의 칩 내 전송선 제어와 비교해 다이에렉트릭 공진기를 통한 전역 제어가 스핀 큐비트의 동기화 성능을 떨어뜨리는가?
• RQ3 게이트 전극 재료(Pd 대 Al)와 게이트 절연체(AlOx: ALD 대 열산화)가 큐비트 붕괴 및 노이즈 수준에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 다이에렉트릭 공진기의 품질 인자가 전력 효율성 및 불필요한 결합 측면에서 전역 스핀 제어 성능을 얼마나 제한하는가?
• RQ5 단일 마이크로파 소스와 단일 공진기를 사용한 전역 제어 방식이 수백만 개의 큐비트로 확장 가능할 수 있는가, 이로 인해 게이트 정밀도나 동기화 수준이 떨어지지 않는가?

주요 결과

• 외부 칩의 KTO 다이에렉트릭 공진기를 통해 생성된 전역 마이크로파 자기장을 이용해 실리콘 전자 스핀 큐비트에서 일관된 라비 진동을 성공적으로 구현하였으며, 약 20 μW의 입력 전력에서 라비 주파수 >1 MHz를 달성하였다.
• Qubit 1의 Hahn 에코 동기화 시간(T2^Hahn)은 12.0 ± 1.2 μs, Qubit 2는 10.0 ± 1.0 μs로 측정되어 NISQ 시대의 운영에 적합한 큐비트 동기화 수준을 확보하였다.
• 전역 제어를 사용한 팔라듐 게이트 및 ALD-AlOx 소자의 동기화 시간은 칩 내 전송선을 사용한 유사한 소자와 비교해 2~3배 이내로 측정되어 전역 제어로 인한 성능 저하가 없음을 시사한다.
• 팔라듐 게이트 및 ALD-AlOx를 사용한 소자는 알루미늄 게이트 및 열산화 AlOx를 사용한 소자보다 약 10배 높은 노이즈 수준을 보였으며, 이는 게이트 절연체 재료가 전하 노이즈의 주요 원인임을 시사한다.
• 알루미늄 게이트 소자의 동기화 시간(T2^Hahn)이 약 10배 높아, ALD로 증착한 AlOx가 전하 노이즈를 증가시키며, 열산화 AlOx로 전환할 경우 큐비트 성능 향상이 상당히 가능할 것임을 뒷받침한다.
• 현재 다이에렉트릭 공진기의 품질 인자(Qi ≈ 780)는 재료 손실로 인해 제한되어 있으나, 이론적 재료 제한 Qi > 60,000를 고려하면 동일한 B1 필드 강도를 확보하기 위해 필요한 마이크로파 전력을 약 100배 감소시킬 수 있을 것으로 예측된다.