[논문 리뷰] Impact of electrostatic crosstalk on spin qubits in dense CMOS quantum dot arrays

Jesús D. Cifuentes, Tuomo Tanttu외 21명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 04.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 CMOS 큐비트 배열에서 인접한 게이트 간의 전기적 교차 간섭이 스핀-오비트 결합을 통해 실리콘 스핀 큐비트의 스타크 시프트를 유도하는 이론적 프레임워크를 수립한다. 전기적 게이트 필드가 큐비트의 라르모르 주파수를 측정 가능한 변동성과 함께 조절함을 보이며, 탈코어링과 기하학적 분산을 최소화하기 위해 [100] 결정 방향이 최적임을 규명하여 대규모 양자 프로세서에서의 확장 가능한 글로벌 제어를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Quantum processors based on integrated nanoscale silicon spin qubits are a promising platform for highly scalable quantum computation. Current CMOS spin qubit processors consist of dense gate arrays to define the quantum dots, making them susceptible to crosstalk from capacitive coupling between a dot and its neighbouring gates. Small but sizeable spin-orbit interactions can transfer this electrostatic crosstalk to the spin g-factors, creating a dependence of the Larmor frequency on the electric field created by gate electrodes positioned even tens of nanometers apart. By studying the Stark shift from tens of spin qubits measured in nine different CMOS devices, we developed a theoretical frawework that explains how electric fields couple to the spin of the electrons in increasingly complex arrays, including those electric fluctuations that limit qubit dephasing times $T_2^*$. The results will aid in the design of robust strategies to scale CMOS quantum technology.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 CMOS 큐비트 배열에서 인접한 게이트로부터의 전기적 교차 간섭이 스핀 큐비트 성질에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 스핀-오비트 상호작용과 표면 불순물에 의한 실리콘 기반 큐비트의 전기적 필드 영향을 정량화하고 라르모르 주파수에 미치는 영향를 분석하는 것.
• 스핀 큐비트의 탈코어링과 g-요소 변동성을 최소화하는 최적의 자기장 방향을 규명하는 것.
• 다중 큐비트에 걸쳐 게이트별 스타크 시프트 조절 가능성을 특성화하기 위한 확장 가능한 프레임워크를 개발하는 것.
• 전기적 필드 결합 효과를 고려하여 대규모 실리콘 스핀 큐비트 프로세서에서 강력한 글로벌 제어 프로토콜을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 큐비트 스펙트로스코피를 사용하여 9개의 다른 CMOS 장치에서 30개의 스핀 큐비트에 걸쳐 측정된 스타크 시프트.
• 스핀-오비트 결합을 통한 전기장 기울기와 g-요소 변화를 연결하는 이론적 모델 개발: $ \frac{dg_n}{dV_g} = \frac{dx}{dV} \cdot \vec{\nabla}g $.
• 거친 SiO₂ 인터페이스에서 MOS 큐비트의 원자구조 시뮬레이션을 수행하여 불순물 효과 모델링.
• 자기장 방향에 따른 $ T_2^* $ 의 의존성을 맵핑하여 전기 노이즈 기여도를 분리.
• 개별 큐비트의 스타크 시프트 조절 가능성을 $ T_2^* $ 프로파일과 연관지어 모델 검증.
• 측정된 $ \frac{dg_n}{dV_g} $ 파rameter를 기반으로 가상 게이트의 선형 조합을 사용하여 개별 큐비트 제어 시뮬레이션.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인접한 게이트에서 발생하는 전기적 교차 간섭은 CMOS 큐비트 배열에서 스핀 큐비트의 라르모르 주파수에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 스핀-오비트 결합은 실리콘 기반 큐비트에서 전기장 효과가 스핀 g-요소로 전달되는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 자기장의 방향은 전기 노이즈가 스핀 큐비트에 결합하는 방식과 그로 인한 $ T_2^* $ 탈코어링 시간에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 국소적 인터페이스 불순물의 영향은 큐비트 간 스타크 시프트 조절 가능성의 변동성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 대규모 스핀 큐비트 배열에서 게이트 유도 전기장 효과를 예측하고 보정하기 위한 통합 프레임워크를 수립할 수 있는가?

주요 결과

• 각 큐비트의 g-요소는 국소적 불순물로 인해 변동하며, 이로 인해 게이트 위치와 전자 이동 방향에 따라 고유한 스타크 시프트 반응을 보인다.
• 수십 나노미터 떨어진 게이트에서 유도된 전기장이 스핀-오비트 결합을 통해 측정 가능한 스타크 시프트를 유도하며, 이 조절 가능성은 게이트 및 큐비트 위치에 따라 달라진다.
• 자기장의 [100] 결정 방향이 g-요소 변동성을 최소화하고 전기 노이즈 결합을 감소시켜 더 높고 균일한 $ T_2^* $ 시간을 제공한다.
• 9개의 장치에서 30개 큐비트에 걸쳐 측정된 스타크 시프트 조절 가능성은 이론적 예측과 $ T_2^* $ 프로파일 모두와 뛰어난 일치를 보이며 모델의 타당성을 검증한다.
• 각 큐비트-게이트 쌍에 대해 $ \frac{dg_n}{dV_g} $ 를 특성화하면, 선형 조합의 가상 게이트를 통해 개별 큐비트 제어가 가능하다.
• 밸리 또는 오비탈 디게너시가 발생하는 경우에만 모델이 붕괴되며, 이 경우 오비탈 혼합이 스핀-오비트 결합과 불순물 효과를 지배하고, 그 영향은 예측 불가능해진다.