[论文解读] A single hole spin with enhanced coherence in natural silicon

P. Nicolas, Boris Brun+15 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 7

一句话总结

本研究通过利用磁场调制的运行甜点（sweet spots）以最小化电荷噪声敏感性，在天然硅中实现了单空穴自旋量子比特的相干性增强。通过静电约束一个空穴于金属-氧化物-半导体器件中，并调节磁场方向，作者实现了高达88 μs的Hahn-echo相干时间——比以往的空穴自旋量子比特长逾十倍，且接近在同位素纯化硅中实现的最先进的电子自旋量子比特的性能。

ABSTRACT

Semiconductor spin qubits based on spin-orbit states are responsive to electric field excitation allowing for practical, fast and potentially scalable qubit control. Spin-electric susceptibility, however, renders these qubits generally vulnerable to electrical noise, which limits their coherence time. Here we report on a spin-orbit qubit consisting of a single hole electrostatically confined in a natural silicon metal-oxide-semiconductor device. By varying the magnetic field orientation, we reveal the existence of operation sweet spots where the impact of charge noise is minimized while preserving an efficient electric-dipole spin control. We correspondingly observe an extension of the Hahn-echo coherence time up to 88 $μ$s, exceeding by an order of magnitude the best reported values for hole-spin qubits, and approaching the state-of-the-art for electron spin qubits with synthetic spin-orbit coupling in isotopically-purified silicon. This finding largely enhances the prospects of silicon-based hole spin qubits for scalable quantum information processing.

研究动机与目标

• 为了延长天然硅中空穴自旋量子比特的相干时间，其通常因强自旋-轨道耦合导致的电荷噪声而受限。
• 识别并利用纵向自旋-电场敏感度在一阶下消失的运行甜点，以最小化对电荷噪声的敏感性。
• 证明所有电控方式（通过自旋-轨道耦合）可与可扩展、工业兼容的硅平台上长相干时间共存。
• 验证天然硅（无需同位素纯化）可承载相干时间接近纯化硅中电子自旋量子比特的空穴量子比特。

提出的方法

• 使用在天然硅纳米线上制造的四栅金属-氧化物-半导体器件，静电约束单个空穴于量子点中。
• 施加高频栅压激励以实现电偶极子自旋共振（EDSR）控制，利用空穴的强自旋-轨道耦合。
• 在三维空间（x、y、z轴）系统性地改变磁场方向，以识别自旋-电场敏感度最小化的点。
• 使用射频反射测量和自旋-电荷转换（Elzerman读出）实现单次测量自旋读出与相干时间测量。
• 采用六带k·p方法对空穴波函数进行建模，以理解重空穴与轻空穴成分及其在自旋-轨道耦合中的作用。
• 测量Hahn-echo与CPMG相干时间随磁场角度的变化，以绘制出相干性增强的甜点区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在空穴自旋量子比特中是否存在运行甜点，使得电荷噪声敏感性最小化，同时保持高效的电偶极子自旋控制？
• RQ2 在最优磁场方向下，天然硅中单个空穴自旋的Hahn-echo相干时间最大可达到多少？
• RQ3 天然硅中空穴自旋量子比特的相干时间与同位素纯化硅中电子自旋量子比特的相干时间相比如何？
• RQ4 在不使用同位素富集的情况下，天然硅对空穴自旋量子比特相干性的影响有多大？
• RQ5 波函数中的重空穴与轻空穴成分在实现自旋-轨道耦合与相干性增强中起什么作用？

主要发现

• 在最优磁场方向下，空穴自旋量子比特的Hahn-echo相干时间达到88 μs，相比以往空穴自旋量子比特提升了逾十倍。
• 识别出运行甜点，其中纵向自旋-电场敏感度在一阶下消失，显著降低了对电荷噪声的敏感性。
• 天然硅中的相干时间已接近同位素纯化硅中电子自旋量子比特的最先进水平，证明了天然硅在可扩展量子计算中的可行性。
• 该器件在300 mm晶圆上表现出高良率与均匀性，90%的四栅器件功能正常，阈值电压分布均匀（σ = 22 mV），表明工艺控制优异。
• 测得的g因子随平面内磁场方向变化，证实了自旋-轨道耦合的各向异性，并实现了对量子比特电场响应的精确调控。
• 相干性增强与低频电荷噪声及准静态涨落（包括可能的超精细相互作用）的抑制有关，相关性分析显示T2与LSESs之间存在关联。