[논문 리뷰] Superconducting Gatemon Qubit based on a Proximitized Two-Dimensional Electron Gas

Lucas Casparis, M. R. Connolly외 12명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 21.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 프록시미티제이션된 2차원 전자기체(2DEG)를 기반으로 한 확장 가능한 초전도 게이트모 qubit 플랫폼을 제시하며, 국소 게이트를 통한 모든 전기적 qubit 제어를 가능하게 한다. 저자들은 qubit의 코herence 시간이 약 ~2 μs에 이르는 고조화된 단일 qubit 회전과 이중 qubit 스왑 연산을 달성하였으며, 이는 2DEG 기판의 유전체 손실에 의해 제한된다. 이는 확장 가능하고 플럭스에 민감하지 않은 양자 프로세서로 향하는 실현 가능한 길을 확립한다.

ABSTRACT

The coherent tunnelling of Cooper pairs across Josephson junctions (JJs) generates a nonlinear inductance that is used extensively in quantum information processors based on superconducting circuits, from setting qubit transition frequencies and interqubit coupling strengths, to the gain of parametric amplifiers for quantum-limited readout. The inductance is either set by tailoring the metal-oxide dimensions of single JJs, or magnetically tuned by parallelizing multiple JJs in superconducting quantum interference devices (SQUIDs) with local current-biased flux lines. JJs based on superconductor-semiconductor hybrids represent a tantalizing all-electric alternative. The gatemon is a recently developed transmon variant which employs locally gated nanowire (NW) superconductor-semiconductor JJs for qubit control. Here, we go beyond proof-of-concept and demonstrate that semiconducting channels etched from a wafer-scale two-dimensional electron gas (2DEG) are a suitable platform for building a scalable gatemon-based quantum computer. We show 2DEG gatemons meet the requirements by performing voltage-controlled single qubit rotations and two-qubit swap operations. We measure qubit coherence times up to ~2 us, limited by dielectric loss in the 2DEG host substrate.

연구 동기 및 목표

• 플럭스 노이즈와 교차 간섭 없이 확장 가능한 초전도 qubit 플랫폼을 개발한다.
• 2DEG 기반 주오슨 접합에서 국소 게이트를 사용한 qubit의 고조화적 제어를 입증한다.
• 웨이퍼 스케일 2DEG 헤테로구조에서 고정밀 단일 및 이중 qubit 연산을 달성한다.
• qubit의 코herence 시간을 평가하고, 주요 제한 요인으로서 유전체 손실을 규명한다.
• 자기장 플럭스 제어 없이 주파수 조절이 가능한 qubit을 실현하여 3D 통합의 복잡성을 감소시킨다.

제안 방법

• 프록시미티제이션된 초전도 알루미늄 층을 갖춘 웨이퍼 스케일 Al/InGaAs/InP 2DEG 헤테로구조를 사용하여 게이트모 qubit를 제작하였다.
• 100 nm 길이의 알루미늄을 습식 에칭하여 주오슨 접합을 정의하였으며, 조절 가능한 너비 w를 가진 2DEG JJ를 형성하였다.
• 20 nm 두께의 AlOx 게이트 유전체와 상부 알루미늄 게이트를 사용하여, 커패시티브 방식으로 주오슨 에너지 EJ를 조절하였다.
• 독립형 콘판형 파장관( coplanar waveguide ) 공진기를 통해 읽기 및 제어를 위한 T자형 알루미늄 나노섬을 통합하였다.
• IQ 변조된 마이크로파 펄스와 분산형 하이브리드 검출 방식을 사용하여 단일 qubit 연산 및 상태 읽기 수행.
• Rabi 및 라마지 스펙트로스코피를 수행하여 qubit의 코herence 및 게이트 정밀도를 특성화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2DEG 기반 게이트모 qubit는 모든 전기적 제어를 통해 고조화적인 단일 qubit 회전을 달성할 수 있는가?
• RQ2 2DEG 게이트모의 코herence 시간은 얼마이며, 무엇이 그 제한 요인인가?
• RQ3 2DEG 게이트모 플랫폼에서 이중 qubit 스왑 연산을 고조화적으로 실현할 수 있는가?
• RQ4 2DEG JJ에서 주오슨 에너지 EJ는 접합 너비 w에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 2DEG 게이트모 플랫폼은 확장 가능하고 플럭스에 민감하지 않은 양자 계산을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 2DEG 기판의 유전체 손실에 의해 제한되며, qubit의 코herence 시간이 최대 약 ~2 μs로 측정되었다.
• 가우시안 감쇠 정현파 피팅을 통해 고정밀 단일 qubit 제어를 확인할 수 있는 고조화적인 Rabi 진동이 관측되었다.
• 라마지 간섭 무늬를 통해 고정밀도 게이트 연산과 일치하는 고도의 정밀도를 가진 Z축 방향의 고조화적 회전이 확인되었다.
• 이중 qubit 스왑 연산이 고조화적으로 실현되었으며, 얽힘 게이트 기능을 확인하였다.
• 주오슨 에너지 EJ는 접합 너비 w에 따라 변화하여, 게이트 전압에 의한 주파수 조절이 가능함을 입증하였다.
• 2DEG 게이트모 플랫폼은 단일 칩에 독립적으로 제어 가능한 여섯 개의 qubit을 지원하여 확장 가능성을 입증하였다.