[논문 리뷰] Gate-sensing coherent charge oscillations in a silicon field-effect transistor

M. Fernando González-Zalba, S. N. Shevchenko외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 18.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고주파 수 resonator를 통한 게이트 센싱을 사용하여 실리콘 나노와이어 필드효과 트랜지스터에서 일관된 전하 진동과 산란 읽기 방식을 구현한다. 수식적으로 Landau-Zener-Stückelberg-Majorana 간섭을 수식적으로 분석함으로써 저자들은 전하 위상 유지 시간 $ T_2 \approx 100 \, \text{ps} $를 추출하였으며, 이는 CMOS 호환 트랜지스터가 스케일러블한 양자 제어 및 측정을 위한 전하 큐비트를 지원할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

Quantum mechanical effects induced by the miniaturization of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology hamper the performance and scalability prospects of field-effect transistors. However, those quantum effects, such as tunnelling and coherence, can be harnessed to use existing CMOS technology for quantum information processing. Here, we report the observation of coherent charge oscillations in a double quantum dot formed in a silicon nanowire transistor detected via its dispersive interaction with a radio-frequency resonant circuit coupled via the gate. Differential capacitance changes at the inter-dot charge transitions allow us to monitor the state of the system in the strong-driving regime where we observe the emergence of Landau-Zener-St{ü}ckelberg-Majorana interference on the phase response of the resonator. A theoretical analysis of the dispersive signal demonstrates that quantum and tunnelling capacitance changes must be included to describe the qubit-resonator interaction. Furthermore, a Fourier analysis of the interference pattern reveals a charge coherence time, $T_2\approx 100$~ps. Our results demonstrate charge coherent control and readout in a simple silicon transistor and open up the possibility to implement charge and spin qubits in existing CMOS technology.

연구 동기 및 목표

• CMOS 호환 실리콘 나노와이어 트랜지스터에서 이중 양자점(DQD)의 일관된 조작 및 산란 읽기 방식을 구현하는 것.
• 강한 외부 자극 조건에서 큐비트-공진기 상호작용에 영향을 주는 양자 및 터널링 용량의 역할을 조사하는 것.
• Landau-Zener-Stückelberg-Majorana 간섭 무늬의 푸리에 분석을 통해 전하 위상 유지 시간 $ T_2 $를 추출하는 것.
• 기존 CMOS 기술을 활용한 전하 큐비트 제어 및 읽기의 스케일러블 플랫폼을 확립하는 것.

제안 방법

• 사각형 단면 채널에서 모서리 효과를 이용하여 50 nm 랩어라운드 게이트를 갖춘 완전 탈전도 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 나노와이어 트랜지스터를 사용하여 이중 양자점을 형성한다.
• 게이트는 MHz 수준의 고Q 공진기와 결합되어, 이중 점 전하 전이 시점에서의 미세용량 변화를 통해 산란 읽기 방식의 전하 센싱을 가능하게 한다.
• 변동 가능한 주파수의 마이크로파 자극이 DQD 준위의 반대교차를 유도하여 강한 공진적 Rabi 유사 진동을 유도함으로써, Landau-Zener-Stückelberg-Majorana(LZSM) 간섭 측정이 가능해진다.
• 공진기의 위상 응답을 측정하고 푸리에 변환하여 위상 분산 동역학을 추출하며, 역공간에서의 감쇠율을 이용해 $ T_2 $를 결정한다.
• 이론적 모델링은 산란 상호작용에 기여하는 밴드 곡률에 기인한 양자용량과 빠른 상태 재분포에 기인한 터널링용량을 모두 고려한다.
• 공진기의 위상 응답을 통해 얻은 결과를 검증하기 위해 세 가지 마이크로파 자극 영역(일관된, 비일관된, 중간 상태)에서 실험을 수행하여 공진기의 위상 유지 시간 추정치를 상호 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게이트 센싱과 공진기 기반 산란 검출을 사용하여 실리콘 CMOS 트랜지스터에서 일관된 전하 진동을 관찰하고 제어할 수 있는가?
• RQ2 양자용량과 터널링용량 기여가 빠른 릴랙세이션 시스템에서 큐비트-공진기 상호작용에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 강한 자극 조건에서 Landau-Zener-Stückelberg-Majorana 간섭 무늬에서 추출한 이중 양자점의 전하 위상 유지 시간 $ T_2 $는 얼마인가?
• RQ4 공진기의 위상 응답의 푸리에 변환은 CMOS 통합 큐비트 시스템에서 위상 분산 동역학을 정확히 드러낼 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 강한 자극 조건에서 공진기의 위상 응답에서 명확한 Landau-Zener-Stückelberg-Majorana 간섭 무늬를 관측하여, 이중 양자점의 일관된 제어가 가능함을 확인하였다.
• 간섭 무늬의 푸리에 변환을 통해 전하 위상 유지 시간 $ T_2 $를 $ 100 \pm 50 \, \text{ps} $로 추출하였으며, 이는 다른 반도체 이중점 시스템에서 보고된 값과 일치한다.
• 공진기의 산란 응답이 밴드 곡률에 기인한 양자용량과 빠른 상태 재분포에 기인한 터널링용량의 조합에 기인함을 입증하였으며, 이는 정확한 모델링에 필수적이다.
• 공진기의 위상 응답을 통해 얻은 위상 유지 시간은 세 가지 마이크로파 주파수 영역에서 검증되었다: 34 GHz(일관된, 간섭 무늬 존재), 26 GHz(중간 상태, 명확한 한 개의 진동), 14 GHz(비일관된, 간섭 없음), 이는 $ f_{\text{mw}} \approx T_2^{-1} $ 를 뒷받침한다.
• 결과적으로 기존 CMOS 기술이 내장형 게이트 센싱 읽기 및 일관된 제어를 갖춘 스케일러블 전하 큐비트 아키텍처를 지원할 수 있음을 입증하였다.