[论文解读] A 300 mm foundry silicon spin qubit unit cell exceeding 99% fidelity in all operations

Paul Steinacker, Nard Dumoulin Stuyck+25 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2024

Magnetic properties of thin films被引用 5

一句话总结

本论文展示在300 mm CMOS Foundry中制造的硅自旋量子比特两量子比特器件，所有操作的保真度均超过99%，SPAM超过99.9%，在门集 tomography 的辅助下实现。

ABSTRACT

Fabrication of quantum processors in advanced 300 mm wafer-scale complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) foundries provides a unique scaling pathway towards commercially viable quantum computing with potentially millions of qubits on a single chip. Here, we show precise qubit operation of a silicon two-qubit device made in a 300 mm semiconductor processing line. The key metrics including single- and two-qubit control fidelities exceed 99% and state preparation and measurement fidelity exceeds 99.9%, as evidenced by gate set tomography (GST). We report coherence and lifetimes up to $T_\mathrm{2}^{\mathrm{*}} = 30.4$ $μ$s, $T_\mathrm{2}^{\mathrm{Hahn}} = 803$ $μ$s, and $T_1 = 6.3$ s. Crucially, the dominant operational errors originate from residual nuclear spin carrying isotopes, solvable with further isotopic purification, rather than charge noise arising from the dielectric environment. Our results answer the longstanding question whether the favourable properties including high-fidelity operation and long coherence times can be preserved when transitioning from a tailored academic to an industrial semiconductor fabrication technology.

研究动机与目标

• 在300 mm foundry 工艺中实现硅基两量子比特器件的量子比特操作的精确性。
• 实现高保真度的一量子比特和两量子比特门，并进行 gate set tomography 基准测试。
• 鉴定主要误差源并评估工业制造对量子比特性能的影响。
• 表征相干时间与读出保真度，以评估基于 CMOS 的自旋量子比特的可扩展性潜力。

提出的方法

• 在300 mm CMOS工艺中制备一个平面 MOS 双量子点器件，旁设有 SET 用于自旋读出。
• 使用在共振的电子自旋共振来驱动单量子比特 X 和 Z 门，并使用虚拟 Z 门进行框架旋转。
• 通过脉冲交换在对称工作点实现 CZ 两量子比特门。
• 使用 gate set tomography 对完整门集 {I, XI, IX, ZI, IZ, CZ} 进行基准测试，以分解误差源。
• 在 GST 实验中应用实时 Larmor 频率跟踪和反馈以减小漂移。
• 分析误差通道以区分随机误差与相干误差，并评估残留 29Si 核自旋的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在300 mm 工业工艺中制造的硅自旋量子比特单元是否能够实现所有操作的保真度超过 99%？
• RQ2 工业制造的硅自旋量子比特的主要误差源是什么，是否可以在现有 CMOS 工艺内缓解？
• RQ3 当扩展至 300 mm foundry 制造规模时，相干时间和 SPAM 性能与学术原型相比如何？
• RQ4 工业 setting 中的同位素纯化和工艺优化是否维持或降低了相对于定制学术设备的量子比特性能？

主要发现

• 单量子比特门保真度：XI 99.45(5)%，IX 99.55(4)%，ZI 99.95(4)%，IZ 99.96(4)%，I 99.74(9)%。
• 两量子比特门保真度：CZ 99.37(5)%。
• 状态准备与测量保真度（SPAM）：整体 SPAM 为 99.95(8)%。
• 综合 SPAM 保真度超过 99.9%，F_SPAM=99.95(8)%。
• 相干与寿命包括 T2* 高达 30.4(8) μs（量子比特1）和 29.1(6) μs（量子比特2）；T2^Hahn 高达 803(6) μs；T1 高达 6.3 s（量子比特2）和 2.4 s（量子比特1）。
• 主要误差源来自残留的 29Si 核自旋而非电荷噪声，表明同位素纯化可能进一步提高保真度。