[논문 리뷰] Engineering inter-qubit exchange coupling between donor bound electrons in silicon

Yu E. Wang, Archana Tankasala외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 29.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 24인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 도너 큐비트에서 상호작용 결합 에너지(J)를 전기적으로 제어할 수 있는 디튜닝 게이트 설계를 제안한다. 비대칭 2P-1P 시스템을 사용하여 약 3 MV/m의 낮은 전기장에서도 J의 크기를 최대 5개 온도 수준으로 조절 가능하게 하며, 복잡한 J-게이트가 필요로 하지 않게 되고, J-진동 현상도 완화된다. 이는 다양한 도너 간격에서 견고한 두 큐비트 게이트 작동을 가능하게 하여 케인 아키텍처의 확장 가능한 대안을 제공한다.

ABSTRACT

We investigate the electrical control of the exchange coupling (J) between donor bound electrons in silicon with a detuning gate bias, crucial for the implementation of the two-qubit gate in a silicon quantum computer. We find the asymmetric 2P-1P system provides a highly tunable exchange-curve with mitigated J-oscillation, in which 5 orders of magnitude change in the exchange energy can be achieved using a modest range of electric field for 15 nm qubit separation. Compared to the barrier gate control of exchange in the Kane qubit, the detuning gate design reduces the demanding constraints of precise donor separation, gate width, density and location, as a range of J spanning over a few orders of magnitude can be engineered for various donor separations. We have combined a large-scale full band atomistic tight-binding method with a full configuration interaction technique to capture the full two-electron spectrum of gated donors, providing state-of-the-art calculations of exchange energy in 1P-1P and 2P-1P qubits.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 기반 도너 큐비트에서 두 큐비트 게이트의 제한된 전기적 조절 가능성 문제를 해결한다.
• 정밀한 도너 배치, 좁은 게이트 폭, 높은 게이트 밀도를 요구하는 케인 아키텍처의 엄격한 제작 제약 조건을 극복한다.
• 다양한 도너 간격에서도 높은 공명성과 조절 가능성을 유지하는 확장 가능하고 견고한 두 큐비트 게이트 설계를 개발한다.
• 디튜닝 게이트를 사용할 때 비대칭 2P-1P 도너 시스템이 대칭 1P-1P 시스템보다 상호작용 결합 제어에서 뛰어나다는 것을 입증한다.
• 이온화나 궤도함수 겹침 문제 없이 J를 수십 개 온도 수준으로 조절할 수 있는 J-게이트 제어의 실용적 대안을 제공한다.

제안 방법

• 원자 정밀도로 실리콘 내 도너 클러스터의 전자 구조를 모델링하기 위해 대규모 원자적 전체 밴드 타이트-버킷(_TB) 방법을 사용한다.
• Sentaurus를 사용하여 전기적 장치 시뮬레이션을 수행해 게이트 유도 전기장과 잠재 에너지 장을 계산한다.
• 다양한 전기장에서 두 전자 스펙트럼과 상호작용 에너지(J)를 정확하게 계산하기 위해 전체 구성 상호작용(FCI) 기법을 적용한다.
• 1P-1P 및 2P-1P 도너 시스템을 [100] 방향으로 15 nm 간격으로 배치하고, 도너를 실리콘/실리카 산화물 인터페이스로부터 약 10 nm 아래에 위치시킨다.
• 상부 게이트 또는 평면 내 게이트(예: STM 패턴)를 사용하여 가로 방향의 디튜닝 전기장을 적용하여 잠재 에너지 장을 기울여 (1,1) 상태에서 (2,0) 상태로 전하 재분포를 유도한다.
• 다양한 장치 구성과 전기장 범위에서 케인의 J-게이트 아키텍처와 제안된 디튜닝 게이트 설계 간의 상호작용 조절 가능성을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디튜닝 게이트는 케인 아키텍처의 J-게이트보다 상호작용 결합(J)의 조절 가능성을 현저히 높일 수 있는가?
• RQ2 2P-1P 시스템은 1P-1P 시스템에 비해 J-조절 가능성과 진동, 이온화 효과에 대한 저항성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 디튜닝 게이트는 원자 스케일의 도너 위치 오차와 결정 운동량 효과에 의한 J의 민감도를 어느 정도 완화할 수 있는가?
• RQ4 실제 전기장(~3 MV/m) 조건에서 디튜닝 게이트 구성에서 상호작용 에너지 조절이 가능한 범위는 어느 정도인가?
• RQ5 디튜닝 게이트 설계는 전자 이온화를 방지하고 표면 상태 및 게이트 노이즈에 대한 민감도를 줄여 높은 공명성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 비대칭 2P-1P 시스템은 약 3 MV/m의 낮은 전기장으로도 상호작용 결합(J)의 최대 5개 온도 수준의 조절 가능성을 제공하며, 케인 아키텍처를 크게 능가한다.
• 디튜닝 게이트는 균일한 전기장 디튜닝에 비해 1P-1P 시스템의 조절 가능성을 50배 향상시켜 실용적 게이트 구성 조건에서 0.5 μeV에서 22.1 μeV까지 조절 가능하다.
• 디튜닝 게이트 설계에서는 결정 운동량 효과로 인한 J-진동 현상이 완화되며, 특히 2P-1P 구성에서 도너 간격 변화에 대한 민감도가 감소하여 더욱 효과적이다.
• 이 설계는 J-게이트가 필요 없게 되어 게이트 밀도를 낮추고 도너 위치, 게이트 폭, 정렬 정밀도에 대한 제약 조건을 완화한다.
• 최적의 작동 범위에서 전자가 실리콘/실리카 산화물 인터페이스로 이온화되는 것을 방지하여 큐비트의 공명성을 유지하고 구별성 손실을 방지한다.
• 이 방법은 다양한 도너 간격(예: 15 nm)에서도 고정밀 상호작용 제어를 달성하여 실용적 양자 컴퓨팅 적용을 위한 확장성과 견고성을 입증한다.