[论文解读] Probing low noise at the MOS interface with a spin-orbit qubit

Ryan Jock, N. Tobias Jacobson+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2017

Quantum and electron transport phenomena参考文献 44被引用 37

一句话总结

该论文展示了在金属-氧化物-半导体（MOS）界面中实现硅自旋-轨道量子比特的全电控双轴调控，利用可调的Rashba和Dresselhaus自旋-轨道耦合实现相干操控。结果表明，MOS界面的电荷噪声与其它先进半导体系统相当，在同质富集的28Si中退相干时间为1.6 μs，证明MOS平台在低噪声量子计算中具有可行性。

ABSTRACT

The silicon metal-oxide-semiconductor (MOS) material system is technologically important for the implementation of electron spin-based quantum information technologies. Researchers predict the need for an integrated platform in order to implement useful computation, and decades of advancements in silicon microelectronics fabrication lends itself to this challenge. However, fundamental concerns have been raised about the MOS interface (e.g. trap noise, variations in electron g-factor and practical implementation of multi-QDs). Furthermore, two-axis control of silicon qubits has, to date, required the integration of non-ideal components (e.g. microwave strip-lines, micro-magnets, triple quantum dots, or introduction of donor atoms). In this paper, we introduce a spin-orbit (SO) driven singlet-triplet (ST) qubit in silicon, demonstrating all-electrical two-axis control that requires no additional integrated elements and exhibits charge noise properties equivalent to other more model, but less commercially mature, semiconductor systems. We demonstrate the ability to tune an intrinsic spin-orbit interface effect, which is consistent with Rashba and Dresselhaus contributions that are remarkably strong for a low spin-orbit material such as silicon. The qubit maintains the advantages of using isotopically enriched silicon for producing a quiet magnetic environment, measuring spin dephasing times of 1.6 $μ$s using 99.95% $^{28}$Si epitaxy for the qubit, comparable to results from other isotopically enhanced silicon ST qubit systems. This work, therefore, demonstrates that the interface inherently provides properties for two-axis control, and the technologically important MOS interface does not add additional detrimental qubit noise.

研究动机与目标

• 为解决硅MOS界面中的噪声与量子比特控制问题，这些问题对可扩展量子计算至关重要。
• 证明尽管MOS界面具有技术相关性和固有缺陷，但并不会引入过多噪声。
• 在无需外部微波或磁性元件的情况下，实现全电控、双轴量子比特控制。
• 利用动力学解耦技术探测并量化Si/SiO2界面处的电荷与磁性噪声。
• 验证在MOS架构中使用同位素富集的28Si可支持长相干时间，从而实现实际的量子信息处理。

提出的方法

• 量子比特以硅MOS量子点中的单重-三重（S-T）态实现，通过电控门调节交换相互作用（J）和自旋-轨道耦合（ΔSO）。
• 通过交换耦合（J）与自旋-轨道耦合（ΔSO）的组合实现双轴控制，使Bloch球上任意轴的Rabi旋转成为可能。
• 采用Hahn自旋回声序列的动力学解耦技术，以抑制由低频电荷与磁性噪声引起的退相干。
• 通过测量总演化时间函数下的自旋回声衰减，利用高斯包络拟合提取T2*与T2^echo，探测电荷噪声。
• 通过在[100]方向施加磁场并测量自旋回声衰减，研究磁性噪声，获得T2m^echo ≈ 70 μs。
• 系统采用同位素富集度为99.95%的28Si，以最小化核自旋噪声并实现长相干时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无需外部微波或磁场的情况下，于硅MOS自旋-轨道量子比特中实现全电控双轴调控？
• RQ2 在基于MOS的量子比特中，Si/SiO2界面的电荷噪声水平如何？与其它半导体系统相比有何差异？
• RQ3 MOS界面在同位素富集硅中在多大程度上会降低量子比特的相干性？
• RQ4 MOS界面处的自旋-轨道耦合是否可调，能否用于实现相干的量子比特旋转？
• RQ5 动力学解耦是否能有效延长该系统中的相干时间？其主要退相干机制是什么？

主要发现

• 在电荷噪声下，量子比特的退相干时间T2* = 1.02 ± 0.06 μs，表明MOS界面电荷噪声水平较低。
• 在电荷噪声下，Hahn自旋回声相干时间T2^echo = 8.4 μs，与GaAs/AlGaAs和Si/SiGe系统相当。
• 在0.2 T的[100]方向磁场下，磁性噪声退相干时间T2m^echo ≈ 70 μs，表明对磁性涨落具有有效解耦。
• 在99.95% 28Si中，自旋退相干时间T2 = 1.6 μs，与其它同位素增强的ST量子比特系统结果一致。
• 自旋-轨道耦合可调，可用于生成有效Rabi旋转，从而在无需外部元件的情况下实现完整的双轴控制。
• MOS界面未引入显著额外噪声，验证了其在可扩展、CMOS兼容量子计算中的适用性。