[논문 리뷰] Probing low noise at the MOS interface with a spin-orbit qubit

Ryan Jock, N. Tobias Jacobson외 13명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 13.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 44인용 수 37

한 줄 요약

이 논문은 금속-산화물-반도체(MOS) 인터페이스에서 실리콘 스핀오비트 큐비트의 전적으로 전기적 이축 제어를 구현함으로써, 조절 가능한 라슈바 및 드레셀하우스 스핀오비트 결합을 활용한 공명 조작을 보여준다. 전하 노이즈가 이sov열적으로 풍부한 28Si에서 1.6 μs의 위상분리 시간을 기록함으로써 MOS 플랫폼이 저노이즈 양자 컴퓨팅에 적합하다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

The silicon metal-oxide-semiconductor (MOS) material system is technologically important for the implementation of electron spin-based quantum information technologies. Researchers predict the need for an integrated platform in order to implement useful computation, and decades of advancements in silicon microelectronics fabrication lends itself to this challenge. However, fundamental concerns have been raised about the MOS interface (e.g. trap noise, variations in electron g-factor and practical implementation of multi-QDs). Furthermore, two-axis control of silicon qubits has, to date, required the integration of non-ideal components (e.g. microwave strip-lines, micro-magnets, triple quantum dots, or introduction of donor atoms). In this paper, we introduce a spin-orbit (SO) driven singlet-triplet (ST) qubit in silicon, demonstrating all-electrical two-axis control that requires no additional integrated elements and exhibits charge noise properties equivalent to other more model, but less commercially mature, semiconductor systems. We demonstrate the ability to tune an intrinsic spin-orbit interface effect, which is consistent with Rashba and Dresselhaus contributions that are remarkably strong for a low spin-orbit material such as silicon. The qubit maintains the advantages of using isotopically enriched silicon for producing a quiet magnetic environment, measuring spin dephasing times of 1.6 $μ$s using 99.95% $^{28}$Si epitaxy for the qubit, comparable to results from other isotopically enhanced silicon ST qubit systems. This work, therefore, demonstrates that the interface inherently provides properties for two-axis control, and the technologically important MOS interface does not add additional detrimental qubit noise.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 양자 컴퓨팅에 핵심적인 영향을 미치는 실리콘 MOS 인터페이스의 노이즈와 큐비트 제어 문제를 해결하기 위해.
• 기술적으로 중요한 바이어어스와 내재된 불완전성에도 불구하고 MOS 인터페이스가 과도한 노이즈를 유발하지 않음을 입증하기 위해.
• 외부 마이크로파 또는 자석 장치 없이도 전적으로 전기적이고 이축 제어가 가능한 스핀오비트 큐비트를 실현하기 위해.
• 역동적 분리 기법을 사용하여 Si/SiO2 인터페이스에서의 전하 및 자석 노이즈를 탐색하고 정량화하기 위해.
• 이소토프적으로 풍부한 28Si가 MOS 구조에서 장수명 공명 시간을 지원함으로써 실용적인 양자 정보 처리를 가능하게 하는지 검증하기 위해.

제안 방법

• 큐비트는 전기적 게이팅을 통해 교환 상호작용(J)과 스핀오비트 결합(ΔSO)을 조절할 수 있는 실리콘 MOS 큐비트 도트에서 스핀-쌍순서-삼중순서(S-T) 상태로 구현된다.
• 교환 상호작용(J)과 스핀오비트 결합(ΔSO)의 조합을 통해 블로흐 구면상에서 임의의 축을 중심으로 한 라비 회전을 실현하는 이축 제어가 달성된다.
• 저주파 전하 및 자석 노이즈로 인한 위상분리를 억제하기 위해 Hahn 에코 시퀀스를 이용한 역동적 분리가 적용된다.
• 전하 노이즈는 총 진화 시간에 따른 에코 감쇠를 측정하고, 가우시안 에너지 함수를 피팅하여 T2*와 T2^echo를 추출함으로써 탐지된다.
• 자석 노이즈는 [100] 방향으로 자기장을 적용하고 에코 감쇠를 측정함으로써 연구되며, T2m^echo ≈ 70 μs의 결과를 도출한다.
• 핵자기 스핀 노이즈를 최소화하고 장수명 공명 시간을 확보하기 위해 이소토프적으로 풍부한 99.95% 28Si를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 마이크로파 또는 자석 장치 없이 실리콘 MOS 스핀오비트 큐비트에서 전적으로 전기적 이축 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ2 MOS 기반 큐비트에서 Si/SiO2 인터페이스의 전하 노이즈 수준은 얼마이며, 다른 반도체 시스템과 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ3 특히 이소토프적으로 풍부한 실리콘에서 MOS 인터페이스가 큐비트 공명 수명에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 MOS 인터페이스에서 스핀오비트 결합을 조절하여 공명 큐비트 회전을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 역동적 분리가 이 시스템에서 공명 수명을 효과적으로 연장하는가? 그리고 제한적인 위상분리 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 전하 노이즈 하에서 큐비트의 위상분리 시간 T2* = 1.02 ± 0.06 μs로 측정되어 MOS 인터페이스에서 낮은 전하 노이즈를 나타낸다.
• 전하 노이즈 하에서 Hahn 에코 공명 수명 T2^echo = 8.4 μs로 측정되어 GaAs/AlGaAs 및 Si/SiGe 시스템과 유사한 수준임을 보여준다.
• [100] 방향으로 0.2 T의 자기장을 적용한 상태에서 자석 노이즈로 인한 위상분리 시간 T2m^echo ≈ 70 μs로 측정되어 자석 변동으로부터 효과적인 분리가 이루어졌음을 입증한다.
• 99.95% 28Si에서 스핀 위상분리 시간 T2 = 1.6 μs로 측정되어 다른 이소토프적으로 강화된 ST 큐비트 시스템의 결과와 일치한다.
• 스핀오비트 결합은 조절 가능하며 효과적인 라비 회전을 생성할 수 있어 외부 요소 없이도 완전한 이축 제어를 가능하게 한다.
• MOS 인터페이스는 추가적인 노이즈를 유발하지 않으며, 확장 가능한 CMOS 호환 양자 컴퓨팅에 적합함을 검증한다.