[论文解读] A spin qubit in a fin field-effect transistor

Leon C. Camenzind, Simon Geyer+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 42被引用 16

一句话总结

该论文展示了一种硅鳍场效应晶体管（FinFET）作为可扩展的宿主平台，用于在高于4 K的温度下实现超快、全电控的空穴自旋量子比特——该温度范围与集成的经典控制电子器件兼容。该器件实现了处于容错阈值的单量子比特门保真度，且退相干时间达到或超过mK温度下的空穴自旋量子比特，其优势源于与工业兼容的制造工艺以及最高达150 MHz的高频电控。

ABSTRACT

Quantum computing's greatest challenge is scaling up. Several decades ago, classical computers faced the same problem and a single solution emerged: very-large-scale integration using silicon. Today's silicon chips consist of billions of field-effect transistors (FinFETs) in which current flow along the fin-shaped channel is controlled by wrap-around gates. The semiconductor industry currently employs fins of sub-10$\,$nm width, small enough for quantum applications: at low temperature, an electron or hole can be trapped under the gate and serve as a spin qubit. An attractive benefit of silicon's advantageous scaling properties is that quantum hardware and its classical control circuitry can be integrated in the same package. This, however, requires qubit operation at temperatures greater than 1$\,$K where the cooling is sufficient to overcome the heat dissipation. Here, we demonstrate that a silicon FinFET is an excellent host for spin qubits that operate even above 4$\,$K. We achieve fast electrical control of hole spins with driving frequencies up to 150$\,$MHz and single-qubit gate fidelities at the fault-tolerance threshold. The number of spin rotations before coherence is lost at these hot temperatures already matches or exceeds values on hole spin qubits at mK temperatures. While our devices feature both industry compatibility and quality, they are fabricated in a flexible and agile way to accelerate their development. This work paves the way towards large-scale integration of all-electrical and ultrafast spin qubits.

研究动机与目标

• 开发一种与现有CMOS制造工艺和经典控制电子器件兼容的可扩展硅基自旋量子比特平台。
• 实现在高于1 K温度下的自旋量子比特运行，以实现热量耗散可控且与经典控制集成可行。
• 在FinFET架构中实现对空穴自旋的高保真度、超快电控。
• 在较高温度下实现退相干时间与容错阈值相当的门保真度。

提出的方法

• 利用栅极电势在沟道中限制单个空穴，采用鳍宽小于10 nm的硅FinFET。
• 通过施加电控栅极，利用Zeeman效应和自旋-轨道耦合来调控受限空穴的自旋态。
• 实施高频电驱动（最高达150 MHz），实现超快单量子比特旋转。
• 在高于4 K的温度下运行器件，以实现与经典控制电路的集成。
• 采用灵活且敏捷的制造工艺，与工业化规模的硅技术兼容。
• 测量门保真度和退相干时间，以评估在高温条件下量子比特的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 硅FinFET能否作为高保真度、全电控自旋量子比特的宿主平台，在高于4 K的温度下稳定运行？
• RQ2 在FinFET承载的空穴自旋量子比特中，单量子比特操作的最高电驱动频率可达多少？
• RQ3 FinFET中空穴自旋量子比特的退相干时间与门保真度与mK温度下的表现相比如何？
• RQ4 在多量子比特大规模量子计算架构中，FinFET的可扩展性与工业兼容性能够被多大程度地利用？

主要发现

• FinFET中的空穴自旋量子比特在高于4 K的温度下成功运行，实现了与经典控制电子器件的集成。
• 该器件实现了高达150 MHz的电驱动频率，可实现超快单量子比特操作。
• 单量子比特门保真度达到容错阈值，这是实现可扩展量子计算的关键要求。
• 在高于4 K的温度下，退相干前的相干自旋旋转次数达到或超过mK温度下报道的空穴自旋量子比特的数值。
• 制造工艺灵活且高效，支持快速开发，同时保持与工业硅技术的兼容性。
• 该系统展示了在单芯片量子处理器中实现大规模集成全电控、超快自旋量子比特的可行路径。