[论文解读] Bounds to electron spin qubit variability for scalable CMOS architectures

Jesús D. Cifuentes, Tuomo Tanttu+19 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2023

Semiconductor materials and devices参考文献 66被引用 4

一句话总结

本文研究了硅 CMOS 架构中因原子尺度 Si/SiO2 界面粗糙度导致的电子自旋量子比特参数变异，结合了12个器件的实验数据与原子尺度紧束缚模型及路径积分蒙特卡罗模拟。结果表明，当结合鲁棒控制方法时，关键量子比特参数（如谷能级分裂、g 因子和交换耦合）的变异被限制在可接受范围内，适用于可扩展的量子计算。

ABSTRACT

Spins of electrons in CMOS quantum dots combine exquisite quantum properties and scalable fabrication. In the age of quantum technology, however, the metrics that crowned Si/SiO2 as the microelectronics standard need to be reassessed with respect to their impact upon qubit performance. We chart the spin qubit variability due to the unavoidable atomic-scale roughness of the Si/SiO$_2$ interface, compiling experiments in 12 devices, and developing theoretical tools to analyse these results. Atomistic tight binding and path integral Monte Carlo methods are adapted for describing fluctuations in devices with millions of atoms by directly analysing their wavefunctions and electron paths instead of their energy spectra. We correlate the effect of roughness with the variability in qubit position, deformation, valley splitting, valley phase, spin-orbit coupling and exchange coupling. These variabilities are found to be bounded and lie within the tolerances for scalable architectures for quantum computing as long as robust control methods are incorporated.

研究动机与目标

• 量化原子尺度 Si/SiO2 界面粗糙度对 CMOS 兼容架构中电子自旋量子比特性能的影响。
• 评估如谷能级分裂、g 因子和交换耦合等量子比特参数的变异是否仍处于可扩展量子处理器的容许范围内。
• 开发并应用原子尺度紧束缚模型与路径积分蒙特卡罗方法，模拟包含数百万个原子的大规模器件中的电子波函数与路径。
• 评估通过栅压对量子比特参数的可调谐性，并确定补偿变异所需的电压偏移偏差（VOD）。
• 确定鲁棒控制策略是否能有效管理大规模、高保真度量子计算中的参数变异。

提出的方法

• 采用原子尺度紧束缚模拟，对具有真实界面粗糙度的硅量子点中的电子波函数进行建模。
• 将路径积分蒙特卡罗（PIMC）与梅特罗波利斯采样相结合，通过分析电子路径统计与作用量最小化来计算交换耦合。
• 使用包含有效质量、双量子点势（VDQD）以及 Si/SiO2 界面势的三维哈密顿量，其中界面粗糙度通过阶跃函数 σ(z) 进行建模。
• 通过链式法则分解，结合顶栅与侧栅贡献，对电压调谐进行模拟，以估算关键参数的 dσ/dV。
• 引入电压偏移偏差（VOD）指标，量化为将每个量子比特参数调谐至平均值所需电压范围。
• 通过来自12个 CMOS 自旋量子比特器件的实验数据对模拟结果进行验证，其中 DQD 势能数据来自 Comsol，代码与数据来自 Figshare。

实验结果

研究问题

• RQ1 原子尺度的 Si/SiO2 界面粗糙度如何影响关键自旋量子比特参数（如谷能级分裂和 g 因子）的变异？
• RQ2 在实际 CMOS 架构中，交换耦合与自旋-轨道耦合的变异在多大程度上是受限制的？
• RQ3 为补偿量子比特参数变异而所需的电压调节能否在栅压控制的物理极限内实际实现？
• RQ4 界面粗糙度与由此引起的谷相位及自旋-轨道耦合波动之间存在何种关系？
• RQ5 在大规模系统中，原子尺度模拟与路径积分蒙特卡罗方法在预测量子比特参数变异方面表现如何比较？

主要发现

• 谷能级分裂的变异被限制，电压偏移偏差（VOD）为 0.58 V，表明栅压可有效补偿此变异。
• 对于 [110] 平面内磁场方向，g 因子的变异 VOD 为 9.1 V；而对于 [100] 方向，仅为 0.23 V，显示出强烈的取向依赖性。
• 交换耦合的变异 VOD 仅为 0.09 V，表明其具有高度可调谐性，适用于可扩展架构中的控制。
• 谷能级分裂、g 因子与交换耦合的变异在结合鲁棒控制方法时，均处于可扩展量子计算的可接受范围内。
• 采用 8000 个时间片与 βℏ = 4 ps 的路径积分蒙特卡罗模拟，显示在配分函数中通过 ∆S 的收敛性与交换能的可靠估计。
• 本研究证实，尽管存在界面粗糙度，量子比特参数的变异仍保持在有界且可控范围内，支持基于 CMOS 的自旋量子比特架构的可扩展性。