[논문 리뷰] Si/SiGe QuBus for single electron information-processing devices with memory and micron-scale connectivity function

Ran Xue, Max Beer외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 28.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 31인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 단지 여섯 개의 조절 가능한 전압 펄스만을 사용하여 10 µm 거리에서 고신뢰도의 마이크론 스케일 단일 전자 이송을 가능하게 하는 완전 전기적 Si/SiGe 양자 버스(QuBus)를 제시한다. 장치는 19 µm의 왕복 이송에 대해 기록적인 이송 정밀도 (99.7 ± 0.3)%를 달성하였으며, 양자 컴퓨팅을 위한 확장 가능한 스핀 보존 전하 이동을 실현하였다. 이는 대규모 스핀 큐비트 아키텍처의 잠재력을 지닌다.

ABSTRACT

The connectivity within single carrier information-processing devices requires transport and storage of single charge quanta. Our all-electrical Si/SiGe shuttle device, called quantum bus (QuBus), spans a length of 10 $\mathrmμ$m and is operated by only six simply-tunable voltage pulses. It operates in conveyor-mode, i.e. the electron is adiabatically transported while confined to a moving QD. We introduce a characterization method, called shuttle-tomography, to benchmark the potential imperfections and local shuttle-fidelity of the QuBus. The fidelity of the single-electron shuttle across the full device and back (a total distance of 19 $\mathrmμ$m) is $(99.7 \pm 0.3)\,\%$. Using the QuBus, we position and detect up to 34 electrons and initialize a register of 34 quantum dots with arbitrarily chosen patterns of zero and single-electrons. The simple operation signals, compatibility with industry fabrication and low spin-environment-interaction in $^{28}$Si/SiGe, promises spin-conserving transport of spin qubits for quantum connectivity in quantum computing architectures.

연구 동기 및 목표

• 양자 정보 처리를 위한 메모리 기능과 마이크론 스케일 연결성을 갖춘 확장 가능한, 전적으로 전기적 단일 전자 이동 장치를 개발하기 위해.
• 불순물로 인해 전하 국소화가 약 100 nm 이내로 제한되는 기존 도체의 한계를 극복하기 위해.
• 양자 컴퓨팅에서 장수 스핀 공명 시간을 지닌 것으로 기대되는 28Si/SiGe 이종구조에서 스핀 보존 전자 이동을 가능하게 하기 위해.
• 최소한의 제어 신호 집합을 사용하여 34개의 전자를 연속된 양자점에서 신뢰성 있게 초기화 및 탐지할 수 있도록 하기 위해.
• 대규모 양자 장치에서 국소적 이송 정밀도와 잠재적 결함을 평가하기 위해 새로운 캐릭터라이제이션 방법인 이송 톰그래피를 도입하기 위해.

제안 방법

• QuBus 장치는 10 µm 길이의 불도핑된 SiGe/Si/SiGe 양자 우물로 구성된 Si/SiGe 이종구조에서 제작되었으며, 분할 게이트에 의해 봉쇄된 일차원 전자 채널(1DEC)을 형성한다.
• 1DEC 위의 두 층의 금속으로 이루어진 100개 이상의 클라비어 게이트는 전기적 게이팅을 통해 이동 가능한 양자점(QD)을 생성하며, 이는 단일 전자의 컨veyor 모드 이송을 가능하게 한다.
• 이송은 S1–S4, TLP, TLB1의 여섯 개의 제어 단자에 전압 펄스를 순차적으로 적용하여 아디아바틱하게 전자를 채널을 따라 이동시킴으로써 이루어진다.
• 좌측 끝단에 위치한 단일 전자 트랜지스터(SET)는 QD₀에 전자의 존재 여부를 고공간 해상도와 고전하 해상도로 탐지한다.
• 이송 톰그래피는 캐릭터라이제이션 프로토콜로 도입되었으며, 반복적인 이송 사이클 후 탐지 정밀도를 측정함으로써 로딩, 탐지 및 단계별 이송 오류를 분리한다.
• 오류 분석은 $ F(n) = (1 - ho_{ ext{LD}}) imes (1 - ho_{ ext{shuttle}})^{2n} $ 관계를 사용하며, 여기서 $ F(n) $는 $ 2n $개의 이송 단계 후 관측된 정밀도이므로 개별 오류 확률을 추출할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Si/SiGe 이종구조에서 마이크론 스케일 거리에 걸쳐 고정밀도의 전적으로 전기적 단일 전자 이송이 달성될 수 있는가?
• RQ2 10 µm 채널을 통해 이송 정밀도는 얼마나 떨어지며, 확장 가능한 양자 컴퓨팅에 필요한 수준을 유지할 수 있는가?
• RQ3 대규모 양자 장치에서의 국소적 포텐셜 불순물과 게이트 결함은 어떻게 단일 전자 프로브를 사용하여 탐지하고 정량화할 수 있는가?
• RQ4 여섯 개의 전압 펄스로만 구성된 최소한의 신호 집합이 연속된 양자점에서 최대 34개의 전자 초기화, 이동 및 탐지 제어를 가능하게 하는가?
• RQ5 Si/SiGe에서의 컨베이어 모드 이송은 스핀 공명을 보존하는가? 이는 스핀 기반 양자 컴퓨팅 아키텍처에 활용될 수 있는가?

주요 결과

• QuBus는 총 이동 거리 19 µm(10 µm 전진, 9 µm 후진)에서 단일 전자 이송 정밀도 (99.7 ± 0.3)%를 달성하여 고정밀도 장거리 전하 이동을 실현하였다.
• 이송 단계당 평균 오류는 $ ho_{ ext{shuttle}} = 1 - F_{ ext{step}} = 0.004 ext{%} $이며, 이는 단계별 정밀도 $ F_{ ext{step}} = 99.996 ext{%} $에 해당하며 95% 신뢰구간을 포함한다.
• 로딩 및 탐지 오류 $ ho_{ ext{LD}} $ 는 $ 0.7 ext{%} $ 로 측정되었으며, 수천 번의 기준 측정에서 거짓 긍정 사례가 관찰되지 않아 탐지 과정이 매우 신뢰할 수 있었다.
• 장치는 연속된 양자점에서 최대 34개의 전자 초기화 및 탐지가 가능하며, 단일 및 영 전자 점유 패턴을 임의로 설정할 수 있다.
• 단지 여섯 개의 제어 단자만을 사용함으로써 복잡한 다중 전자 상태 준비 및 이동이 가능해졌으며, 기존 게이트 어레이 대비 제어 복잡도를 크게 감소시켰다.
• 28Si/SiGe에서 낮은 스핀 환경 상호작용과 아디아바틱 이동의 조합은 스핀 큐비트가 고정밀도로 이동 가능함을 시사하며, 확장 가능한 양자 연결성을 실현한다.