[논문 리뷰] Conditional dispersive readout of a CMOS quantum dot via an integrated transistor circuit

Simon Schaal, Sylvain Barraud외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 14.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 53인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 뭉치된 LC 공진기와 함께 조건부 분산 반사 측정을 위한 제어 필드효과트랜지스터(FET)를 갖춘 단일결합 CMOS 통합 양자점이 제시된다. FET가 'ON' 상태일 때 감도 있는 게이트 기반 rf 반사 측정이 가능하고, 'OFF' 상태일 때 단일 전자 전하를 저장함으로써, 밀리켈빈 온도에서 전하 감도 165 µe/Hz¹² 및 단일 전자 유지 시간 약 1초를 달성하여, 시간 분할 다중화된, 전체 실리콘 양자-고전적 처리를 향한 첫걸음이 된다.

ABSTRACT

Quantum computers require interfaces with classical electronics for efficient qubit control, measurement and fast data processing. Fabricating the qubit and the classical control layer using the same technology is appealing because it will facilitate the integration process, improving feedback speeds and offer potential solutions to wiring and layout challenges. Integrating classical and quantum devices monolithically, using complementary metal-oxide-transistor (CMOS) processes, enables the processor to profit from the most mature industrial technology for the fabrication of large scale circuits. Here we demonstrate the integration of a single-electron charge storage CMOS quantum dot with a CMOS transistor for control of the readout via gate-based dispersive sensing using a lumped element $LC$ resonator. The control field-effect transistor (FET) and quantum dot are fabricated on the same chip using fully-depleted silicon-on-insulator technology. We obtain a charge sensitivity of $δq=165\, μe \mathrm{Hz}^{-1/2}$ when the quantum dot readout is enabled by the control FET. Additionally, we observe a single-electron retention time of the order of a second when storing a single-electron charge on the quantum dot at milli-Kelvin temperatures. These results demonstrate first steps towards time-based multiplexing of gate-based dispersive qubit readout in CMOS technology opening the path for the development of an all-silicon quantum-classical processor.

연구 동기 및 목표

• 양자점과 고전적 제어 및 측정 전자회로를 통합하는 확장 가능한 단일결합 CMOS 플랫폼을 개발하기 위해.
• 단일 데이터 라인과 제어 FET를 사용하여 게이트 기반 분산 큐비트 측정을 시간 기반 다중화로 가능하게 하기 위해.
• CMOS 통합 양자점에서 rf 반사 측정을 통한 냉각 가능 전하 감지의 민감도를 입증하기 위해.
• 플로ating 게이트 구조에서 전하 저장을 위한 장시간 단일 전자 유지 시간을 달성하기 위해.
• 표준 CMOS 공정을 사용하여 양자 회로와 고전 회로를 동일 칩에 통합할 수 있는 가능성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 단일 전자 전하 저장 양자점과 제어 FET를 포함하는 풀리-디플리드 실리콘-온-아이솔레이터 CMOS 칩의 제작.
• 양자점의 전하 상태를 분산 RF 반사 측정하기 위해 뭉치된 LC 공진기의 사용.
• 제어 FET를 'ON'(측정 가능) 및 'OFF'(전하 저장) 상태로 전환하여 조건부 측정 수행.
• 양자점의 게이트가 공진기와 결합된 센서 역할을 하는 게이트 기반 분산 감지의 적용.
• 시간 영역 다중화를 사용하여 밀리켈빈 온도에서 전하 감도 및 전자 유지 시간 측정.
• 확장 가능성 평가를 위해 동적 전력 공식 P = CFET × fop × (∆V)²를 사용하여 단위 장치의 열발산 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀리켈빈 온도에서 CMOS 통합 필드효과트랜지스터를 사용하여 양자점의 분산 반사 측정을 조건부로 활성화할 수 있는가?
• RQ2 제어 FET가 'ON' 상태일 때 게이트 기반 rf 반사 측정의 달성 가능한 전하 감도는 얼마인가?
• RQ3 밀리켈빈 온도에서 플로ating 게이트 양자점에 단일 전자를 안정적으로 저장할 수 있는 시간은 얼마나 되는가?
• RQ4 단일 데이터 라인과 제어 FET를 사용하여 다수의 양자점을 시간 다중화된 방식으로 측정할 수 있는가?
• RQ5 이러한 CMOS 통합 양자-고전 아키텍처에서 단위 장치의 추정 열발산은 얼마인가?

주요 결과

• 제어 FET가 'ON' 상태일 때 전하 감도 165 µe/Hz¹²를 달성하여 민감한 분산 반사 측정이 가능하다.
• 밀리켈빈 온도에서 단일 전자 전하 유지 시간이 1초를 초과하여 순차적 다중화를 지원한다.
• 제어 FET는 조건부 측정을 가능하게 하며, FET가 'ON'일 때에만 분산 응답이 관찰되어 선택적 측정이 가능하다.
• 추정된 단위 장치 열발산은 13 nW이며, 100 mK의 냉각기에서 이론적 상한선으로서 약 30,000개의 트랜지스터가 작동 가능하다.
• 단일 CMOS 칩에 양자점, 제어 FET, 공진기를 통합함으로써 시간 다중화된, 전체 실리콘 양자-고전적 프로세서로 향한 실현 가능한 길을 보여준다.
• 결과는 CMOS 호환 제조 공정과 큐비트 측정을 위한 시간 분할 다중화를 활용한 대규모 배열 확장 가능성을 뒷받침한다.