[논문 리뷰] Reflectometry of charge transitions in a silicon quadruple dot

Heorhii Bohuslavskyi, Fabio Ansaloni외 11명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 08.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 300 mm CMOS 공정으로 제작된 실리콘 4중 양자점 배열에서 게이트 기반 고주파 반사측정을 구현하여, 단일 전자 탐지 기능을 실현한다. 이는 단 한 개의 게이트가 공진기와 연결된 상태에서 >30 kHz 대역폭과 단위 신호대잡음비(SNR)를 달성한다. 이 방법은 용량 결합과 글로벌/탑게이트 조절을 활용하여 네 개의 양자점 전역에서 전하 상태를 완전히 제어하고 읽어내는 데 성공한다.

ABSTRACT

Gate-controlled silicon quantum devices are currently moving from academic proof-of-principle studies to industrial fabrication, while increasing their complexity from single- or double-dot devices to larger arrays. We perform gate-based high-frequency reflectometry measurements on a 2x2 array of silicon quantum dots fabricated entirely using 300 mm foundry processes. Utilizing the capacitive couplings within the dot array, it is sufficient to connect only one gate electrode to one reflectometry resonator and still establish single-electron occupation in each of the four dots and detect single-electron movements with high bandwidth. A global top-gate electrode adjusts the overall tunneling times, while linear combinations of side-gate voltages yield detailed charge stability diagrams. We support our findings with $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ modeling and electrostatic simulations based on a constant interaction model, and experimentally demonstrate single-shot detection of interdot charge transitions with unity signal-to-noise ratios at bandwidths exceeding 30 kHz. Our techniques may find use in the scaling of few-dot spin-qubit devices to large-scale quantum processors.

연구 동기 및 목표

• 산업용 300 mm CMOS 공정을 통해 제작된 복잡한 실리콘 양자점 배열에서 확장 가능하고 고대역폭의 단일 전자 탐지 기능을 실현하기 위해.
• 양자점 간 용량 결합을 활용하여 다중 양자점 시스템에서 요구되는 공진기 연결 수를 줄이기 위해.
• 단 한 개의 게이트만 공진기와 연결된 상태에서 2×2 실리콘 양자점 배열에서 전체 전하 상태 제어 및 읽기 기능을 입증하기 위해.
• 상수 상호작용 모델 기반의 k⋅p 모델링과 전기적 잠재력 시뮬레이션을 통해 실험 결과를 뒷받침하기 위해.
• 산업적 제조 공정을 기반으로 한 대규모 스핀 큐비트 프로세서를 위한 확장 가능한 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 산업용 300 mm 파운드리 공정으로 제작된 실리콘 4중 양자점 배열에서 단일 전자 이동을 게이트 기반 고주파 반사측정으로 탐지하기 위해.
• 단일 반사측정 공진기와 연결된 게이트 전극 한 개만 사용하고, 나머지 네 개의 양자점 전하 상태는 용량 결합을 통해 유추하기 위해.
• 전체 터널링 속도를 조절하고 양자점 간 전자 이동 동역학을 제어하기 위해 글로벌 탑게이트 전극을 사용하기 위해.
• 측면 게이트 전압의 선형 조합을 적용하여 배열 전역의 세밀한 전하 안정성 다이어그램을 매핑하기 위해.
• 상수 상호작용 모델 하에서 k⋅p 밴드 구조 모델링과 전기적 잠재력 시뮬레이션을 적용하여 실험 관측 결과를 검증하기 위해.
• 단일 스타일 전하 탐지 성능을 정량화하기 위해 신호대잡음비와 대역폭을 측정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 공진기 연결만으로 실리콘 4중 양자점에서 높은 대역폭과 높은 신호대잡음비로 단일 전자 전하 이동을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 다중 양자점 양자점 배열에서 양자점 간 용량 결합을 통해 얼마나 많은 수의 개별 공진기 연결이 줄어들 수 있는가?
• RQ3 글로벌 탑게이트와 측면 게이트 전압이 2×2 배열에서 개별 양자점 점유 상태의 제어 및 읽기 기능을 어떻게 공동으로 실현하는가?
• RQ4 전기적 잠재력 시뮬레이션과 k⋅p 모델링이 관측된 전하 안정성 다이어그램과 터널링 역학을 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ5 이러한 시스템에서 단일 스타일 탐지의 구현 가능한 대역폭과 신호대잡음비는 얼마인가?

주요 결과

• 실리콘 4중 양자점 배열의 네 개 모든 양자점에서 단일 전자 전하 이동이 성공적으로 탐지되었으며, 신호대잡음비는 단위 수준을 달성하였다.
• 시스템은 30 kHz를 초과하는 탐지 대역폭을 확보하여 고속 읽기 능력을 입증하였다.
• 배열 전역의 용량 결합 덕분에 반사측정 공진기와 연결된 게이트 전극이 단 한 개로 충분하였다.
• 글로벌 탑게이트 조절을 통해 양자점 배열 전역의 터널링 시간을 효과적으로 제어할 수 있었다.
• 측면 게이트 전압의 선형 조합을 통해 세밀한 전하 안정성 다이어그램을 매핑할 수 있었다.
• 상수 상호작용 모델 기반 전기적 잠재력 시뮬레이션과 k⋅p 모델링이 실험 관측 결과를 뒷받침하며 관측된 전하 행동을 설명하였다.