[논문 리뷰] Assessing the potential of Ge/SiGe quantum dots as hosts for singlet-triplet qubits

Andrea Hofmann, Daniel Jirovec외 7명|edoc (University of Basel)|2019. 10. 13.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 41인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 Ge/SiGe 헤테로구조가 전기적으로 조절 가능한 싱글렛-트리플렛 큐비트를 실현하기 위한 모든 핵심 구성 요소를 지닌다는 것을 보여준다: 제어 가능한 터널 결합을 갖는 전기적 조절이 가능한 이중 양자점, 폴리 스피너 블록레이드, 인접한 양자점을 통한 전하 감지, 강한 g-요소 이방성. 관측된 g⊥ = 5.5 ± 1.0 및 g∥ = 0.3 ± 0.1 은 큐비트의 정렬 축에 대한 정밀한 자기장 조절을 가능하게 하며, Ge/SiGe가 확장 가능한 스핀 큐비트를 위한 유망한 플랫폼임을 확인한다.

ABSTRACT

We study double quantum dots in a Ge/SiGe heterostructure and test their maturity towards singlet-triplet ($S-T_0$) qubits. We demonstrate a large range of tunability, from two single quantum dots to a double quantum dot. We measure Pauli spin blockade and study the anisotropy of the $g$-factor. We use an adjacent quantum dot for sensing charge transitions in the double quantum dot at interest. In conclusion, Ge/SiGe possesses all ingredients necessary for building a singlet-triplet qubit.

연구 동기 및 목표

• 반도체 양자점 내에서 싱글렛-트리플렛(S-T₀) 큐비트의 기초 자료로 Ge/SiGe 헤테로구조를 평가하기.
• Ge/SiGe 헤테로구조에 형성된 이중 양자점에서의 이중점 간 터널 결합의 조절 가능성 평가하기.
• 폴리 스피너 블록레이드를 입증하고 큐비트 제어를 위한 g-요소 이방성 측정하기.
• 용량 결합된 인접한 양자점으로 전하 감지 구현하기.
• 모든 필수 요소가 포함된 전기적으로 완전히 조절 가능한 S-T₀ 큐비트를 위한 시스템 존재 여부 검증하기.

제안 방법

• 응력이 가해진 Ge 양자우물이 포함된 스트레인 리릭스 Si₀.₃Ge₀.₇ 장벽으로 둘러싸인 저에너지 플라즈마 강화 화학 기상 에피택시 기반 Ge/SiGe 헤테로구조의 제작.
• 누적 게이트(TG, TG_CD)와 탈리프 게이트를 사용한 상부 게이트 아키텍처를 활용해 단일 및 이중 양자점을 정의하고 조절하기.
• 전하 안정성 다이어그램을 맵핑하고 중심 장벽 게이트(CB)를 통해 터널 결합을 조절하기 위해 쿨롱 다이아몬드 측정하기.
• 자기장의 다양한 방향에 대해 적용하여 g-요소 이방성 탐색하기. 기울기 변화점에서 g⊥ 및 g∥ 추출을 위해 도전도 피크 사용하기.
• 이중 양자점의 전하 전이를 용량 결합을 통해 감지하기 위해 근접한 센서 양자점을 구현하기.
• 자기장 하에서 도전도 트레이스 분석하여 폴리 스피너 블록레이드 식별 및 g-요소 값 추출하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ge/SiGe 헤테로구조는 제어 가능한 이중점 간 터널 결합을 갖는 조절 가능한 이중 양자점을 지닐 수 있는가?
• RQ2 Ge/SiGe 이중 양자점에서 폴리 스피너 블록레이드를 관측할 수 있는가? 이는 조화롭게 얽힌 스핀 상태 존재를 의미하는가?
• RQ3 Ge/SiGe 양자점의 g-요소 크기와 이방성은 얼마이며, 큐비트 제어에 사용될 수 있는가?
• RQ4 근접한 센서 양자점과의 용량 결합을 통해 이중 양자점의 전하 전이를 감지할 수 있는가?
• RQ5 Ge/SiGe 헤테로구조는 전기적으로 완전히 조절 가능한 싱글렛-트리플렛 큐비트를 구현하기 위한 모든 필수 요소를 갖추고 있는가?

주요 결과

• 중심 장벽 게이트를 통해 두 개의 고립된 단일 양자점에서 강하게 결합된 이중 양자점에 이르는 연속적인 범위로 조절 가능한 이중 양자점 확보.
• 폴리 스피너 블록레이드 관측으로 조화롭게 얽힌 스핀 상태 존재가 확인되었으며, 스핀 큐비트 작동 가능성 확인.
• g-요소 이방성 측정 결과, g⊥ = 5.5 ± 1.0 (2DHG 평면에 수직 방향) 및 g∥ = 0.3 ± 0.1 (평행 방향)로 나타나 강한 자기장 방향 의존성 확인.
• 측정된 g⊥ 값은 순수 무거운 구멍의 이론적 값 21.4보다 낮은데, 이는 SiGe 장벽으로의 파동함수 유출 또는 경량 구멍 성분 혼합 때문일 가능성이 높다.
• 근접한 센서 양자점을 통해 이중 양자점의 전하 감지가 가능해졌으며, 큐비트 판독을 위한 실현 가능한 길을 제시하였다.
• 결과적으로 Ge/SiGe 헤테로구조가 전기적 조절 가능성, 스피너 블록레이드, g-요소 이방성, 전하 감지 등 전기적으로 완전히 조절 가능한 싱글렛-트리플렛 큐비트를 구현하기 위한 모든 필수 요소를 포함하고 있음을 확인하였다.