[논문 리뷰] Single-electron control in a foundry-fabricated two-dimensional qubit array

Fabio Ansaloni, Anasua Chatterjee외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 02.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 41인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 파운드리 공정으로 제작된 실리콘 2×2 양자점 배열에서 펄스 게이트 기술과 게이트 반사율 측정을 이용해 단일 전자 제어를 구현한다. 단일 스타일의 전하 읽기 측정이 가능하다. 이 이중 차원 구조는 터널 결합이 조절 가능한 단일, 이중, 삼중 양자점을 실시간 재구성 가능하게 하며, 이중 점유 없이 사이클릭 전자 이동을 통해 전자 쌍의 공간적 교환을 가능하게 한다. 이는 확장 가능한 실리콘 큐비트 배열에서의 토폴로지 양자 컴퓨팅을 향한 핵심 단계이다.

ABSTRACT

Silicon spin qubits have achieved high-fidelity one- and two-qubit gates, above error correction thresholds, promising an industrial route to fault-tolerant quantum computation. A significant next step for the development of scalable multi-qubit processors is the operation of foundry-fabricated, extendable two-dimensional (2D) arrays. In gallium arsenide, 2D quantum-dot arrays recently allowed coherent spin operations and quantum simulations. In silicon, 2D arrays have been limited to transport measurements in the many-electron regime. Here, we operate a foundry-fabricated silicon 2x2 array in the few-electron regime, achieving single-electron occupation in each of the four gate-defined quantum dots, as well as reconfigurable single, double, and triple dots with tunable tunnel couplings. Pulsed-gate and gate-reflectometry techniques permit single-electron manipulation and single-shot charge readout, while the two-dimensionality allows the spatial exchange of electron pairs. The compact form factor of such arrays, whose foundry fabrication can be extended to larger 2xN arrays, along with the recent demonstration of coherent spin control and readout, paves the way for dense qubit arrays for quantum computation and simulation.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 양자 컴퓨팅을 위한 파운드리 공정으로 제작된 이중 차원 실리콘 양자점 배열에서 단일 전자 제어를 구현하는 것.
• 터널 결합이 조절 가능한 단일, 이중, 삼중 양자점 구성의 실시간 재구성 가능성을 확보하는 것.
• 센서 양자점에서 게이트 기반 반사율 측정을 이용해 단일 스타일의 전하 읽기 측정을 실현하는 것.
• 이중 점유 없이 2차원 배열에서 제어된 전자 이동을 통해 전자 쌍의 공간적 순열을 수행하는 것.
• 산업적 제조 공정과 향후 고장 내성 양자 계산에 적합한 컴act하고 확장 가능한 아키텍처를 확립하는 것.

제안 방법

• 4개의 분할 게이트 전극을 갖는 파운드리 공정으로 제작된 불도핑 실리콘 나노와이어 채널이 적용된 게이트 전압에 의해 양자점을 유도한다.
• 펄스 게이트 기술을 통해 소수의 전자 상태에서 개별 전자 상태를 고대역폭으로 조작한다.
• RF 신호를 사용한 반사율 측정과 동조 검파를 통해 실선 게이트(G4)의 디모odulated 전압 $V_{\mathrm{H}}$를 측정함으로써 단일 스타일의 전하 읽기 측정이 가능하다.
• 큐비트 양자점의 화학적 위치를 조절하면서도 센서 양자점(점 4)에 영향을 주지 않는 보정된 제어 전압 $V_{\mathrm{n}}^{\mathrm{c}}$를 校정한다.
• 공통의 상부 게이트가 배열 전체의 터널 결합을 전역적으로 조절한다.
• 제어 평면 $\epsilon_2^c$–$\epsilon_3^c$ 내에서 닫힌 루프 전압 경로를 통해 전자 순환 이동을 실현함으로써 이중 점유 없이 두 전자의 순환 순열을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파운드리 공정으로 제작된 2차원 실리콘 양자점 배열에서 단일 전자 제어와 재구성 가능한 다중 양자점 구성이 가능할 수 있는가?
• RQ2 게이트 반사율 측정이 소수의 전자 상태에서 고해상도 및 최소한의 신호 손실을 갖는 단일 스타일의 전하 읽기 측정을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 이중 점유 없이 또는 저장소와의 교환 없이 2차원 배열에서 전자 교환(공간적 순열)을 수행할 수 있는가? 이는 토폴로지 연산을 가능하게 하는가?
• RQ4 센서 게이트와 다른 양자점 간의 커패시티 교차 간섭이 분산 전하 감지의 민감도와 분辨도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 미래의 구현에서 센서 양자점이 동시에 큐비트 양자점으로 사용될 수 있는가? 이는 고밀도의 확장 가능한 큐비트 배열을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 2×2 실리콘 양자점 배열은 소수의 전자 상태에서 작동하여, 네 개의 게이트로 정의된 각 양자점에서 단일 전자 점유를 달성했다.
• 펄스 게이트 측정을 통해 개별 전자의 고대역폭 조작이 가능했으며, 점 4에서 게이트 반사율 측정을 통해 단일 스타일의 전하 읽기 측정이 실현되었다.
• 반사율 신호의 꿀벌집 패턴(그림 1d)은 점 1과 점 4의 전이 모두에 명확한 해상도를 보였으며, 강한 교차 커패시턴스와 향상된 민감도를 나타내었다.
• $\epsilon_2^c$–$\epsilon_3^c$ 제어 평면 내 닫힌 루프 전압 경로를 통해 011 → 101 → 110 → 011 순서의 순환 전자 이동이 가능했으며, 이는 이중 점유 없이 두 전자의 공간적 순열을 성공적으로 구현한 것이다.
• 한 순환 주기의 시간 추적 그래프(그림 4d)는 세 개의 명확한 전하 전이를 해상도로 확인하였으며, 제어된 터널링을 통한 전자의 물리적 교환을 확인하였다.
• 센서 양자점(점 4)은 소수의 전자 상태(6–9개 전자)를 유지하였으며, 전압 스우프 동안 큐비트 구성의 순서를 확인하는 데 사용되었다.