[论文解读] Charge-based silicon quantum computer architectures using controlled single-ion implantation

Andrew S. Dzurak, Lloyd C. L. Hollenberg+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2003

Quantum and electron transport phenomena参考文献 32被引用 8

一句话总结

该论文提出一种基于电荷的硅量子计算机架构，利用受控的单离子注入技术，实现对磷受主原子的亚20 nm精度定位。通过两个磷原子（相距约50 nm）形成的双阱势，系统将量子比特编码在电子的空间态上，利用双射频单电子晶体管实现快速、抗噪声的读出，并通过电压控制的栅极实现通用量子门操作。

ABSTRACT

We report a nanofabrication, control and measurement scheme for charge-based silicon quantum computing which utilises a new technique of controlled single ion implantation. Each qubit consists of two phosphorus dopant atoms ~50 nm apart, one of which is singly ionized. The lowest two energy states of the remaining electron form the logical states. Surface electrodes control the qubit using voltage pulses and dual single electron transistors operating near the quantum limit provide fast readout with spurious signal rejection. A low energy (keV) ion beam is used to implant the phosphorus atoms in high-purity Si. Single atom control during the implantation is achieved by monitoring on-chip detector electrodes, integrated within the device structure, while positional accuracy is provided by a nanomachined resist mask. We describe a construction process for implanted single atom and atom cluster devices with all components registered to better than 20 nm, together with electrical characterisation of the readout circuitry. We also discuss universal one- and two-qubit gate operations for this architecture, providing a possible path towards quantum computing in silicon.

研究动机与目标

• 开发一种基于受控单离子注入的可扩展、自上而下的硅基量子计算机制造方法。
• 解决受控表面栅极与读出器件相对于磷受主原子精确、单原子定位的关键挑战。
• 通过实现所有器件组件的亚20 nm定位，实现硅基电荷量子比特操作。
• 通过电压脉冲与双射频单电子晶体管，展示通用单量子比特与双量子比特门操作的实现路径。
• 通过集成片上探测电极与低噪声测量技术，确保高保真度量子比特读出，并有效抑制寄生信号。

提出的方法

• 使用低能（keV）离子束注入，将磷原子引入高纯度硅衬底。
• 在器件结构中集成片上探测电极，实现实时监控与控制单离子注入。
• 采用纳米加工的抗蚀剂掩模，实现受主原子定位精度优于20 nm。
• 利用两个磷受主原子（相距约50 nm），其中一个为单电离态，构建双阱势，以定义逻辑量子比特态。
• 施加表面栅极（B-栅与S-栅）以控制势垒高度与势阱对称性，实现量子比特操控。
• 采用工作在量子极限附近的双射频单电子晶体管，实现快速、高灵敏度的电荷读出，并具备噪声抑制能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 受控单离子注入能否实现磷受主原子相对于表面栅极与读出器件的亚20 nm定位？
• RQ2 是否可行利用双射频单电子晶体管在硅中实现快速、抗噪声的单电子电荷态读出？
• RQ3 能否在硅中通过双受主系统上的电压脉冲实现通用单量子比特与双量子比特量子门操作？
• RQ4 在基于电荷的Si:P量子比特中，主要的退相干机制是什么？能否被抑制以实现相干门操作？
• RQ5 该制造工艺能否可靠地制备界面态密度较低的器件，以维持量子比特相干性？

主要发现

• 该制造工艺实现了器件组件定位精度优于20 nm，可精确实现磷受主原子相对于控制栅极与读出电极的定位。
• 通过集成在器件结构中的片上探测电极，成功演示了受控单离子注入技术，实现了离子到达的实时监测。
• 电荷量子比特由两个磷原子形成的双阱势中电子的空间态定义，逻辑态|0⟩与|1⟩分别对应电子在左侧与右侧的局域化。
• 双射频单电子晶体管提供了快速、高灵敏度的读出能力，并具备抑制寄生信号的能力，可在量子极限下实现单电荷检测。
• 计算得到的门操作时间约为50 ps，显著快于基于自旋的Si:P量子比特约1 μs的操作时间。
• 由声子与约翰逊噪声引起的退相干时间估计在微秒量级，远长于门操作时间，表明相干性足以支持门操作。