[論文レビュー] Reflectometry of charge transitions in a silicon quadruple dot

Heorhii Bohuslavskyi, Fabio Ansaloni+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2020

Quantum and electron transport phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、300 mm CMOSプロセスでプロセスされたシリコン4量子ドットアレイを用いて、ゲートベースの高周波反射計測を実証した。これにより、1つのゲートをレゾネータに接続するだけで、30 kHzを超える帯域幅とユニティの信号対雑音比（SNR）を達成した単一電子検出が可能になった。この手法は、静電的結合とグローバル／トップゲートの調整を活用し、4つのドット全体で完全な電荷状態制御と読み出しを実現した。

ABSTRACT

Gate-controlled silicon quantum devices are currently moving from academic proof-of-principle studies to industrial fabrication, while increasing their complexity from single- or double-dot devices to larger arrays. We perform gate-based high-frequency reflectometry measurements on a 2x2 array of silicon quantum dots fabricated entirely using 300 mm foundry processes. Utilizing the capacitive couplings within the dot array, it is sufficient to connect only one gate electrode to one reflectometry resonator and still establish single-electron occupation in each of the four dots and detect single-electron movements with high bandwidth. A global top-gate electrode adjusts the overall tunneling times, while linear combinations of side-gate voltages yield detailed charge stability diagrams. We support our findings with $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ modeling and electrostatic simulations based on a constant interaction model, and experimentally demonstrate single-shot detection of interdot charge transitions with unity signal-to-noise ratios at bandwidths exceeding 30 kHz. Our techniques may find use in the scaling of few-dot spin-qubit devices to large-scale quantum processors.

研究の動機と目的

• 産業的300 mm CMOSプロセスを用いて作製された複雑なシリコン量子ドットアレイにおいて、スケーラブルで高帯域幅な単一電子検出を可能にすること。
• 量子ドット間の静電的結合を活用することで、マルチドット系における個々のレゾネータ接続数を削減すること。
• 反射計測レゾネータに1つのゲートのみを接続する条件で、2×2のシリコン量子ドットアレイにおける全電荷状態制御と読み出しを実証すること。
• 定数相互作用モデルに基づくk⋅pバンド構造モデリングと静電界シミュレーションを用いて、実験結果を裏付けすること。
• 産業的プロセスを用いた大規模スピンキュービットプロセッサのためのスケーラブルな基盤を確立すること。

提案手法

• 産業的300 mmファブプロセスで作製されたシリコン4量子ドットアレイにおける単一電子遷移を、ゲートベースの高周波反射計測で検出すること。
• 1つのゲート電極のみを単一の反射計測レゾネータに接続し、残りの4つの量子ドットの電荷状態を静電的結合によって推定すること。
• グローバルトップゲート電極を用いて、全般的なトンネルレートを調整し、ドット間の電子移動ダイナミクスを制御すること。
• サイドゲート電圧の線形結合を用いて、アレイ全体の詳細な電荷安定性ダイアグラムをマップすること。
• 定数相互作用モデルに基づくk⋅pバンド構造モデリングと静電界シミュレーションを用いて、実験的観察を検証すること。
• 信号対雑音比と帯域幅を測定し、単発電荷検出の性能を定量すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのレゾネータ接続のみで、シリコン4量子ドットアレイにおいて、高い帯域幅と信号対雑音比を達成した単一電子電荷遷移を検出できるか？
• RQ2 量子ドット間の静電的結合によって、マルチドット量子ドットアレイにおける個別レゾネータ接続の必要性はどの程度低減できるか？
• RQ3 グローバルトップゲートとサイドゲート電圧が、2×2アレイにおける個々のドット占有状態の制御と読み出しをどのように統合的に可能にするか？
• RQ4 静電界シミュレーションとk⋅pモデリングは、観測された電荷安定性ダイアグラムとトンネルダイナミクスを正確に再現できるか？
• RQ5 このようなシステムにおける単発検出の実現可能な帯域幅と信号対雑音比はどの程度か？

主な発見

• シリコン4量子ドットアレイの4つのドットにおける単一電子電荷遷移が、ユニティの信号対雑音比で正常に検出された。
• システムは30 kHzを超える検出帯域幅を達成し、高速読み出し能力を示した。
• アレイ全体の静電的結合のおかげで、反射計測レゾネータに接続する必要のあるゲート電極は1つだけであった。
• グローバルトップゲートの調整により、ドットアレイ全体のトンネル時間の効果的制御が可能になった。
• サイドゲート電圧の線形結合を用いることで、詳細な電荷安定性ダイアグラムのマッピングが可能になった。
• 定数相互作用モデルに基づく静電界シミュレーションとk⋅pモデリングは、実験的観察を裏付け、観測された電荷行動を説明した。