[论文解读] Blueprint of a scalable spin qubit shuttle device for coherent mid-range qubit transfer in disordered Si/SiGe/SiO$_2$

Veit Langrock, Jan A. Krzywda+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 12

一句话总结

本文提出了一种在 Si/SiGe/SiO₂ 中可扩展的自旋量子比特输送器蓝图，通过最少数量的控制线实现约 10 μm 的相干中程电子传输，且该设计与长度无关。结果表明，在存在真实杂质和噪声的条件下，采用量子比特传送模式可在约 10 m/s 的速度下实现 >99.9% 的保真度，高保真度得益于较低的全局磁场（~20 mT）以及工程化调控的能谷分裂。

ABSTRACT

Silicon spin qubits stand out due to their very long coherence times, compatibility with industrial fabrication, and prospect to integrate classical control electronics. To achieve a truly scalable architecture, a coherent mid-range link that moves the electrons between qubit registers has been suggested to solve the signal fan-out problem. Here, we present a blueprint of such a $\approx 10\,μ$m long link, called a spin qubit shuttle, which is based on connecting an array of gates into a small number of sets. To control these sets, only a few voltage control lines are needed and the number of these sets and thus the number of required control signals is independent of the length of this link. We discuss two different operation modes for the spin qubit shuttle: A qubit conveyor, i.e. a potential minimum that smoothly moves laterally, and a bucket brigade, in which the electron is transported through a series of tunnel-coupled quantum dots by adiabatic passage. We find the former approach more promising considering a realistic Si/SiGe device including potential disorder from the charged defects at the Si/SiO$_2$ layer, as well as typical charge noise. Focusing on the qubit transfer fidelity in the conveyor shuttling mode, we discuss in detail motional narrowing, the interplay between orbital and valley excitation and relaxation in presence of $g$-factors that depend on orbital and valley state of the electron, and effects from spin-hotspots. We find that a transfer fidelity of 99.9 \% is feasible in Si/SiGe at a speed of $\sim$10 m/s, if the average valley splitting and its inhomogeneity stay within realistic bounds. Operation at low global magnetic field $\approx 20$ mT and material engineering towards high valley splitting is favourable for reaching high fidelities of transfer.

研究动机与目标

• 通过实现约 10 μm 的相干中程电子传输，解决可扩展自旋量子比特架构中的信号扇出问题。
• 设计一种控制方案，其控制线数量与输送器长度无关，从而实现可扩展性。
• 在 Si/SiGe 异质结构中存在势阱无序、电荷噪声及能谷自由度的情况下，实现高保真度的自旋相干传输。
• 评估并比较两种工作模式——量子比特传送与桶形传送——在真实器件缺陷下的鲁棒性。
• 识别出能最大化传输保真度的材料与操作参数，尤其是在存在自旋-能谷反交叉点与热点的情况下。

提出的方法

• 提出一种基于门阵列连接至少量控制组的自旋量子比特输送器（SQuS）器件架构，从而在不依赖长度的前提下减少控制线数量。
• 采用量子比特传送模式，通过平滑地横向移动势阱最小值来输送电子，从而最小化非绝热跃迁。
• 利用绝热演化以最小化非绝热误差，并对时变势阱下轨道态与能谷态动力学进行详细建模。
• 通过二级微扰理论分析自旋-能谷耦合，估算出自旋-能谷间隙 Δₛᵥ ≈ 20 neV，源于人工与本征自旋-轨道耦合。
• 利用时间平均态布居与避免交叉点附近的弛豫率，评估弛豫与退相干机制。
• 对 g 因子变化、能谷分裂与自旋退相干之间的相互作用进行建模，并对弛豫概率进行数值估算。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种可扩展的自旋量子比特输送器，其控制信号数量与输送器长度无关，从而实现在大规模量子处理器中的实用集成？
• RQ2 在 Si/SiGe 异质结构中存在真实无序与电荷噪声的条件下，哪种工作模式——量子比特传送或桶形传送——能实现更高的保真度？
• RQ3 自旋-能谷反交叉点与热点对传输保真度有何影响？能否通过器件设计或工作条件优化来缓解这些影响？
• RQ4 轨道态与能谷态激发，以及 g 因子变化，如何影响输送过程中的自旋相干性？
• RQ5 哪些材料与操作参数（如磁场、能谷分裂等）是最优的，以实现 >99.9% 的传输保真度？

主要发现

• 在真实无序与电荷噪声条件下，量子比特传送模式比桶形传送模式更具鲁棒性，因此是首选工作模式。
• 在输送速度约为 10 m/s 时，只要平均能谷分裂及其非均匀性保持在合理范围内，99.9% 的传输保真度是可行的。
• 由于热点附近能谷混杂引起的自旋弛豫对每米每秒的误差贡献小于 10⁻⁵，表明其对总误差的贡献可忽略不计。
• 估算的自旋-能谷耦合间隙 Δₛᵥ ≤ 20 neV，源于在磁场梯度存在下的人工或本征自旋-轨道耦合。
• 低全局磁场（~20 mT）与高能谷分裂有利于实现高保真度传输，因为可最小化自旋-能谷混杂效应。
• 在避免交叉点附近停留的时间估算为 τₛᵥ ≈ Δₛᵥ / a ≈ 0.4 ns，其中扫掠速率 a ≈ 50 μeV/ns，适用于 10 m/s 的输送速度，支持绝热演化。