[论文解读] Assessing the potential of Ge/SiGe quantum dots as hosts for singlet-triplet qubits

Andrea Hofmann, Daniel Jirovec+7 more|edoc (University of Basel)|Oct 13, 2019

Quantum and electron transport phenomena参考文献 41被引用 9

一句话总结

本研究证明，Ge/SiGe异质结构可支持实现电控可调的单重-三重态量子比特所需的所有关键组件：可调谐的双量子点及其可控的隧穿耦合、泡利自旋阻塞、通过邻近量子点实现的电荷探测，以及显著的g因子各向异性。观测到的g⊥ = 5.5 ± 1.0 和 g∥ = 0.3 ± 0.1 可实现对量子比特定量化轴的精确磁场调控，证实Ge/SiGe是可扩展自旋量子比特的有前途平台。

ABSTRACT

We study double quantum dots in a Ge/SiGe heterostructure and test their maturity towards singlet-triplet ($S-T_0$) qubits. We demonstrate a large range of tunability, from two single quantum dots to a double quantum dot. We measure Pauli spin blockade and study the anisotropy of the $g$-factor. We use an adjacent quantum dot for sensing charge transitions in the double quantum dot at interest. In conclusion, Ge/SiGe possesses all ingredients necessary for building a singlet-triplet qubit.

研究动机与目标

• 评估Ge/SiGe异质结构作为半导体量子点中单重-三重态（S-T₀）量子比特宿主材料的潜力。
• 评估在Ge/SiGe异质结构中形成的双量子点的层间隧穿耦合的可调性。
• 展示泡利自旋阻塞并测量g因子各向异性以实现量子比特控制。
• 通过电容耦合的邻近量子点实现电荷探测。
• 验证系统中是否具备实现全电控可调S-T₀量子比特所需的所有基本要素。

提出的方法

• 采用低能等离子体增强化学气相沉积法制造Ge/SiGe异质结构，其中包含应变Ge量子阱，并由应变弛豫的Si₀.₃Ge₀.₇势垒层覆盖。
• 采用顶栅结构，包括累积栅（TG, TG_CD）和耗尽指形栅，以定义并调节单量子点和双量子点。
• 通过测量库仑钻石图来绘制电荷稳定性图，并利用中心势垒栅（CB）调节隧穿耦合。
• 施加不同取向的磁场以探测g因子各向异性，利用电导峰提取g⊥和g∥值，方法为从拐点处进行分析。
• 在附近设置一个传感器量子点，通过电容耦合检测双量子点中的电荷跃迁。
• 分析在磁场作用下的电导曲线，以识别泡利自旋阻塞并提取g因子值。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ge/SiGe异质结构能否支持具有可控层间隧穿耦合的可调谐双量子点？
• RQ2 在Ge/SiGe双量子点中能否观测到泡利自旋阻塞，表明存在相干自旋态？
• RQ3 Ge/SiGe量子点中的g因子大小及其各向异性如何？是否可用于量子比特控制？
• RQ4 能否通过与邻近传感器量子点的电容耦合检测双量子点中的电荷跃迁？
• RQ5 Ge/SiGe异质结构是否具备实现全电控可调单重-三重态量子比特的所有必要要素？

主要发现

• 通过中心势垒栅的调控，成功实现了可调谐双量子点，其状态可在两个独立单量子点与强耦合双量子点之间连续变化。
• 观测到泡利自旋阻塞，证实了相干自旋态的存在，表明具备实现自旋量子比特操作的潜力。
• 测得的g因子各向异性为g⊥ = 5.5 ± 1.0（垂直于二维电子气平面）和g∥ = 0.3 ± 0.1（平行于平面），表明其对磁场方向具有显著依赖性。
• 测得的g⊥值低于纯重空穴的理论值21.4，可能由于波函数渗入SiGe势垒层或轻空穴成分的混合所致。
• 通过邻近的传感器量子点实现了对双量子点的电荷探测，展示了实现量子比特读出的可行路径。
• 结果证实，Ge/SiGe异质结构包含了实现全电控可调单重-三重态量子比特所需的所有关键要素——可调性、自旋阻塞、g因子各向异性和电荷探测。