[논문 리뷰] Two-qubit logic with anisotropic exchange in a fin field-effect transistor

Simon Geyer, Bence Hetényi외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 05.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 49인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 강한 스핀-오비트 결합을 통해 조절 가능한 이방성 스핀-스핀 상호작용을 이용하여 실리콘 필드형트랜지스터(FinFET)에서 홀 스핀을 사용해 고해상도, 24 ns 제어 회전(CROT) 두 큐비트 게이트를 실현한다. 이방성은 스핀-오비트 상호작용과 조절 가능한 g-텐서 효과에서 기인하며, 다양한 자기장 방향에서 속도와 정밀도 사이의 상충 없이 빠르고 고정밀도의 두 큐비트 연산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Semiconductor spin qubits offer a unique opportunity for scalable quantum computation by leveraging classical transistor technology. Hole spin qubits benefit from fast all-electrical qubit control and sweet spots to counteract charge and nuclear spin noise. The demonstration of a two-qubit quantum gate in a silicon fin field-effect transistor, that is, the workhorse device of today's semiconductor industry, has remained an open challenge. Here, we demonstrate a controlled rotation two-qubit gate on hole spins in an industry-compatible device. A short gate time of 24 ns is achieved. The quantum logic exploits an exchange interaction that can be tuned from above 500 MHz to close-to-off. Significantly, the exchange is strikingly anisotropic. By developing a general theory, we show that the anisotropy arises as a consequence of a strong spin-orbit interaction. Upon tunnelling from one quantum dot to the other, the spin is rotated by almost 90 degrees. The exchange Hamiltonian no longer has Heisenberg form and is engineered in such a way that there is no trade-off between speed and fidelity of the two-qubit gate. This ideal behaviour applies over a wide range of magnetic field orientations rendering the concept robust with respect to variations from qubit to qubit. Our work brings hole spin qubits in silicon transistors a step closer to the realization of a large-scale quantum computer.

연구 동기 및 목표

• 홀 스핀을 이용한 실리콘 필핀트랜지스터 플랫폼에서 확장 가능하고 산업용으로 적합한 두 큐비트 양자 게이트를 실현하기 위해.
• 복잡한 교환 이방성으로 인해 홀 스핀 큐비트에서 제어 가능하고 고정밀도의 두 큐비트 상호작용을 달성하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 홀 스핀에서의 이방성 교환 상호작용이 속도와 정밀도 사이의 성능 상충 없이 고속 및 고정밀도의 두 큐비트 게이트를 가능하게 함을 입증하기 위해.
• 양자점에서 스핀-오비트 상호작용과 교환 이방성 간의 일반적인 이론적 프레임워크를 수립하기 위해.
• 다양한 자기장 방향과 장치 파라미터에 걸쳐 게이트 작동의 견고성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 플러저 및 차단 게이트 아래에서 형성된 이중 양자점과 함께 공공으로 제조된 실리콘 필핀트랜지스터를 사용하여 홀 스핀의 모든 전기적 제어를 가능하게 한다.
• 제어 큐비트에서 마이크로파 드라이브를 이용한 라비 진동을 적용하여 CROT 게이트를 실현하며, 게이트 시간을 24 ns로 최적화한다.
• 제어된 스핀-스핀 해밀토니안을 일반화된 교환 행렬 형식으로 모델링하여, 자장 분리 및 스핀-오비트 결합 효과를 포함한다.
• 교환 분리 $ J_{\parallel} = \mathbf{n}_1 \cdot \mathcal{J} \mathbf{n}_2 $ 를 유도하며, 여기서 $ \mathcal{J} $ 는 스핀-오비트 회전 각도 $ \theta_{\text{so}} $ 에 따라 달라지며, 이로 인해 이방성 조절이 가능하다.
• 시간에 따라 변화하는 드라이브 하에서 해밀토니안의 수치적 시간 진화를 수행하여 게이트 정밀도를 시뮬레이션하고, 단일 큐비트 위상 보정을 수행한다.
• 실험 데이터로부터 전체 교환 행렬을 추출하여 최적의 작동 점을 결정하고 게이트 성능을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 홀 스핀을 사용한 실리콘 필핀트랜지스터에서 모든 전기적 제어를 통해 고정밀도의 두 큐비트 게이트를 실현할 수 있는가?
• RQ2 스핀-오비트 상호작용은 교환 상호작용에 어떻게 이방성을 유도하며, 이를 게이트 성능 향상에 활용할 수 있는가?
• RQ3 자기장 방향과 장치 파라미터의 변화에 대해 교환 이방성은 견고한가?
• RQ4 공학적 이방성으로 인해 홀 스핀 큐비트에서 게이트 속도와 정밀도 사이의 상충 관계를 제거할 수 있는가?
• RQ5 1D 홀 시스템에서 g-텐서의 이방성과 스핀-오비트 결합은 교환 상호작용 형성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 24 ns의 게이트 시간으로 제어 회전(CROT) 두 큐비트 게이트를 달성하여 실리콘 필핀트랜지스터에서 고속 작동을 입증하였다.
• 교환 상호작용은 강하게 이방성적이며, 500 MHz 이상에서 거의 0으로까지 조절 가능하여 정밀한 제어를 가능하게 한다.
• 이방성은 강한 스핀-오비트 결합과 g-텐서의 이방성에서 기인하며, 실험 데이터에 대한 교환 행렬 피팅을 통해 확인되었다.
• 실험적으로 교환 분리 $ J_{\parallel} $ 가 자기장 방향에 따라 크게 변화하는 것으로 측정되어 이방성 행동이 확인되었다.
• 이론적 모델은 다양한 자기장 방향에서의 게이트 성능을 성공적으로 예측하였으며, 장치 변동에 대한 견고성을 보였다.
• 공학적 이방성 덕분에 속도-정밀도 상충이 없어, 광범위한 자기장 각도 범위에서 정밀도가 유지됨을 입증하였다.