[논문 리뷰] Deterministic Single Ion Implantation with 99.87% Confidence for Scalable Donor-Qubit Arrays in Silicon

Alexander Jakob, Simon G. Robson외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 07.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 51인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실시간 이온 검출 및 빔 블랭킹을 통해 14 keV의 저에너지 이온 비임의를 이용하고, 칩 내 전하 감도 전자회로와 스캐닝 프로브 이온 야광을 조합하여 실리콘에서 인(P) 이온의 결정적 단일 이온 임플랜테이션을 99.87%의 신뢰도로 구현함으로써, 확장 가능한 양자 컴퓨팅을 위한 도너 큐비트 정밀 배치를 가능하게 하였다. 이 방법은 저에너지 이온 비임의(14 keV), 실시간 이온 검출, 빔 블랭킹을 통합하여 이중 임플랜테이션을 억제함으로써 근접한 이상적인 임플랜테이션 정밀도를 달성한다.

ABSTRACT

The attributes of group-V-donor spins implanted in an isotopically purified $^{28}$Si crystal make them attractive qubits for large-scale quantum computer devices. Important features include long nuclear and electron spin lifetimes of $^{31}$P, hyperfine clock transitions in $^{209}$Bi and electrically controllable $^{123}$Sb nuclear spins. However, architectures for scalable quantum devices require the ability to fabricate deterministic arrays of individual donor atoms, placed with sufficient precision to enable high-fidelity quantum operations. Here we employ on-chip electrodes with charge-sensitive electronics to demonstrate the implantation of single low-energy (14 keV) P$^+$ ions with an unprecedented $99.87\pm0.02$% confidence, while operating close to room-temperature. This permits integration with an atomic force microscope equipped with a scanning-probe ion aperture to address the critical issue of directing the implanted ions to precise locations. These results show that deterministic single-ion implantation can be a viable pathway for manufacturing large-scale donor arrays for quantum computation and other applications.

연구 동기 및 목표

• 대규모 양자 컴퓨팅을 위한 실리콘 내 도너 큐비트 어레이의 확장 가능한 제조를 가능하게 하기 위해 개별 도핑 원자들의 결정적 배치를 달성하고자 한다.
• 기존 이온 임플랜테이션의 확률적 성격으로 인해 제어가 어려워지고 오류 비율이 증가하는 문제를 해결하고자 한다.
• 높은 신뢰도로 단일 이온 임플랜테이션을 보장하는 방법을 시연하여 어레이 내에서 결함이 있거나 존재하지 않는 큐비트를 최소화하고자 한다.
• 칩 내 전하 감도 전자회로를 스캐닝 프로브 이온 야광과 통합하여 개별 이온 임플랜테이션의 실시간 검출 및 제어를 가능하게 하고자 한다.
• 실온에서 이중 임플랜테이션 사건을 최소화한 결정적 임플랜테이션의 실현 가능성을 검증하고자 하며, 이는 고신뢰성 양자 아키텍처에 필수적이다.

제안 방법

• 특정 위치에 실리콘 장치를 목표로 하는 스캐닝 프로브 이온 야광을 통해 14 keV의 저에너지 P+ 이온 비임의를 도입하였다.
• 각 이온이 침입할 때마다 침입된 전하를 실시간으로 감지하기 위해 칩 내 전하 감도 전자회로를 사용하였다.
• 이중 임플랜테이션을 억제하기 위해 최소 펄스 폭 100 ns의 빔 블랭킹을 적용하였다.
• 이중 임플랜테이션 확률를 $ P_{\mathrm{DI}} = \mathrm{e}^{-\tau r_{\mathrm{Ion}}} $로 계산하였으며, 여기서 $ \tau \approx 100\,\mathrm{ns} $ 이고 $ r_{\mathrm{Ion}} \approx 1\,\mathrm{s}^{-1} $ 이므로 $ P_{\mathrm{DI}} \sim 10^{-7} $ 으로 도출되었다.
• TRIM 및 Crystal-TRIM 코드를 사용하여 이온 통과 및 에너지 손실을 시뮬레이션하였으며, 정확한 신호 예측을 위해 Fano 통계와 검출기 노이즈를 통합하였다.
• 전자 에너지 손실을 위한 Funsten 모델을 포함시켜 Crystal-TRIM을 수정함으로써, 저에너지 Si 반동 입자에 대해 Robinson 모델 대비 정확도를 향상시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘에서 실온에 가까운 온도에서 고도의 신뢰도로 결정적 단일 이온 임플랜테이션을 달성할 수 있는가?
• RQ2 실시간 전하 검출 및 빔 블랭킹을 이용한 단일 이온 임플랜테이션에서 달성 가능한 최대 신뢰도는 얼마인가?
• RQ3 100 ns 펄스 폭을 가진 빔 블랭킹이 저속도 이온 임플랜테이션 중 이중 임플랜테이션 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 TRIM 및 수정된 에너지 손실 모델을 포함한 Crystal-TRIM을 사용한 시뮬레이션은 실험적 이온 신호 스펙트럼을 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ5 칩 내 전하 감도 전자회로와 스캐닝 프로브 이온 야광의 통합은 도너 원자들의 정밀하고 결정적인 위치 지정을 가능하게 하여 양자 컴퓨팅에 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 결정적 단일 이온 임플랜테이션의 신뢰도를 $ 99.87 \pm 0.02\% $ 로 달성하여 이상적인 정밀도에 근접함을 입증하였다.
• 이중 임플랜테이션 확률는 약 $ \sim 10^{-7} $ 로 측정되어 임플랜테이션 정밀도에 미치는 영향이 극히 미미함을 확인하였다.
• 실험 측정에서 얻은 신호 스펙트럼이 Fano 통계와 검출기 노이즈를 고려한 Crystal-TRIM의 시뮬레이션 결과와 일치하여 시뮬레이션 모델의 타당성이 검증되었다.
• 전자 에너지 손실을 위한 Funsten 모델을 포함한 수정된 Crystal-TRIM 코드는 Robinson 모델 대비 실험 데이터와 더 나은 일치를 보였다.
• 이 방법은 실온에서의 결정적 임플랜테이션을 가능하게 하며, 기존 실리콘 제조 공정과 확장 가능한 양자 장치 아키텍처에 호환된다.
• 전하 감도 전자회로와 스캐닝 프로브 이온 야광의 통합은 개별 이온 임플랜테이션의 실시간 검출 및 제어를 가능하게 하여, 확장 가능한 도너 큐비트 어레이에 필수적인 요소가 되었다.