[논문 리뷰] Integrated multiplexed microwave readout of silicon quantum dots in a cryogenic CMOS chip

Andrea Ruffino, Tsung-Yeh Yang외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 20.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 45인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 산업용 40-nm 기술을 사용해 완전 통합된 초저온 CMOS 칩을 제작하여 50 mK에서 실리콘 양자점의 다중 루프 마이크로파 읽기 기능을 실현한다. 칩 내부의 LC 공진기와 행-열 주소 방식을 통해 시간 및 주파수 도메인 다중화를 조합함으로써, 3×3 양자점 배열의 확장 가능하고 저면적의 읽기 기능을 달성하였으며, 고체 기반 초저온 양자 프로세서에 대한 중요한 단계를 보여주었다.

ABSTRACT

Solid-state quantum computers require classical electronics to control and readout individual qubits and to enable fast classical data processing [1-3]. Integrating both subsystems at deep cryogenic temperatures [4], where solid-state quantum processors operate best, may solve some major scaling challenges, such as system size and input/output (I/O) data management [5]. Spin qubits in silicon quantum dots (QDs) could be monolithically integrated with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) electronics using very-large-scale integration (VLSI) and thus leveraging over wide manufacturing experience in the semiconductor industry [6]. However, experimental demonstrations of integration using industrial CMOS at mK temperatures are still in their infancy. Here we present a cryogenic integrated circuit (IC) fabricated using industrial CMOS technology that hosts three key ingredients of a silicon-based quantum processor: QD arrays (arranged here in a non-interacting 3x3 configuration), digital electronics to minimize control lines using row-column addressing and analog LC resonators for multiplexed readout, all operating at 50 mK. With the microwave resonators (6-8 GHz range), we show dispersive readout of the charge state of the QDs and perform combined time- and frequency-domain multiplexing, enabling scalable readout while reducing the overall chip footprint. This modular architecture probes the limits towards the realization of a large-scale silicon quantum computer integrating quantum and classical electronics using industrial CMOS technology.

연구 동기 및 목표

• 모든 기능이 통합된 초저온 CMOS 회로가 밀리켈빈 온도에서 작동할 수 있도록 하며, 칩 내부에 양자점 배열, 디지털 제어 논리, 아날로그 마이크로파 공진기를 포함시키는 것.
• 산업용 CMOS 기술을 사용해 단일 칩에 시간 및 주파수 도메인 다중화 기법을 조합함으로써 확장 가능한 큐비트 읽기 기능을 달성하는 것.
• 실리콘 양자점과 고전적 제어 및 읽기 전자 회로를 공통으로 통합함으로써 대규모 양자 프로세서에 대한 실현 가능성을 검증하는 것.
• 실리콘 기반 양자 컴퓨팅 응용 분야에서 mK 온도에서의 산업용 CMOS 공정의 통합 한계를 탐색하는 것.

제안 방법

• 칩은 산업용 40-nm CMOS 기술로 제작되었으며, 게이트 전극에 의해 정의된 실리콘 양자점 3×3 배열을 포함한다.
• 제어선 수를 최소화하고 개별 양자점을 선택적으로 접근할 수 있도록 행-열 주소 방식을 통해 워드라인(WL)과 데이터라인(DL)을 구현한다.
• 칩 내부의 LC 공진기(6–8 GHz 범위)를 사용해 분산 마이크로파 읽기 기능을 수행하며, 주파수 다중화를 통해 다수의 큐비트를 동시에 읽을 수 있다.
• 시간 도메인 다중화는 워드라인을 순차적으로 활성화하여 서로 다른 열을 주소 지정함으로써 달성되며, 주파수 다중화를 통해 서로 다른 공진기 주파수를 사용해 다수의 행을 동시에 읽을 수 있다.
• 신호 무결성을 유지하기 위해 50 mK에서 냉각된 환경에서 바이어스 티, 저장 커패시터, 저노이즈 증폭기를 사용한다.
• 전하 상태 읽기 및 배열 전역의 큐비트 작동을 확인하기 위해 안정성 다이어그램과 쿨롱 다이아몬드를 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 칩 내부에 양자점, 디지털 제어 논리, 마이크로파 공진기를 포함한 완전 통합 초저온 CMOS 칩이 50 mK에서 신뢰성 있게 작동할 수 있는가?
• RQ2 실리콘 양자점에 대해 시간 및 주파수 다중화 마이크로파 읽기 기능이 단일 CMOS 칩에서 성공적으로 구현될 수 있는가?
• RQ3 고전적 제어 및 양자점 시스템을 공통으로 통합함으로써 실리콘 기반 양자 프로세서의 면적 절감과 확장성 향상에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 산업용 CMOS 기술이 양자 컴퓨팅 응용 분야에서 초저온 작동에 대해 어떤 성능 한계를 가진다?

주요 결과

• 칩은 300 K에서 중심 주파수 6.810 GHz, 7.374 GHz, 7.941 GHz인 3개의 칩 내부 LC 공진기를 사용해 50 mK에서 실리콘 양자점의 분산 마이크로파 읽기 기능을 성공적으로 시연하였으며, 안정적인 작동을 보였다.
• 워드라인을 순차적으로 활성화함으로써 시간 도메인 다중화를 달성하여 3×3 양자점 배열에서 서로 다른 열을 선택적으로 읽을 수 있었다.
• 주파수 도메인 다중화를 통해 별도의 공진기 주파수(6.873 GHz 및 7.419 GHz)를 사용해 두 개의 독립된 양자점(Q12 및 Q22)을 동시에 읽을 수 있었으며, 병렬 감지 기능을 확인하였다.
• 시간 및 주파수 다중화를 병행함으로써 단일 통합 사이클 내에서 4개의 양자점으로부터 2×2 쿨롱 맵을 확보할 수 있었으며, 확장 가능한 읽기 아키텍처를 입증하였다.
• 시스템은 측정 가능한 쿨롱 다이아몬드와 명확한 전이 특성을 보이며 안정된 작동을 달성하여 밀리켈빈 온도에서 신뢰할 수 있는 전하 상태 탐지 기능을 확인하였다.
• 결과적으로 산업용 CMOS 기술을 사용해 고전적 제어 및 양자점 시스템을 확장 가능하고 저면적 플랫폼에서 통합하는 것이 실현 가능하다는 것을 검증하였다.