[论文解读] Coherent control of electron spin qubits in silicon using a global field

Ensar Vahapoglu, James Slack-Smith+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 37被引用 5

一句话总结

本论文展示了利用片外介电谐振器（KTO）产生的全局微波磁场，在硅量子点中实现电子自旋量子比特的相干拉比振荡。该技术在约20 μW输入功率下实现超过1 MHz的拉比频率，相干时间达约10 μs，为无需片上布线或局部微波线路的大规模自旋基量子计算提供了可扩展、低复杂度的实现路径。

ABSTRACT

Silicon spin qubits promise to leverage the extraordinary progress in silicon nanoelectronic device fabrication over the past half century to deliver large-scale quantum processors. Despite the scalability advantage of using silicon technology, realising a quantum computer with the millions of qubits required to run some of the most demanding quantum algorithms poses several outstanding challenges, including how to control so many qubits simultaneously. Recently, compact 3D microwave dielectric resonators were proposed as a way to deliver the magnetic fields for spin qubit control across an entire quantum chip using only a single microwave source. Although spin resonance of individual electrons in the globally applied microwave field was demonstrated, the spins were controlled incoherently. Here we report coherent Rabi oscillations of single electron spin qubits in a planar SiMOS quantum dot device using a global magnetic field generated off-chip. The observation of coherent qubit control driven by a dielectric resonator establishes a credible pathway to achieving large-scale control in a spin-based quantum computer.

研究动机与目标

• 展示通过全局施加的微波磁场实现硅中单个电子自旋量子比特的相干控制，避免使用片上传输线。
• 评估通过介电谐振器实现全局控制是否相比传统局部控制方法降低量子比特相干性。
• 比较使用原子层沉积氧化铝（ALD AlOx）的钯栅极与热生长氧化铝（thermally grown AlOx）的铝栅极器件之间的噪声和退相干特性。
• 评估使用单个微波源和单个谐振器在整个量子芯片上实现自旋量子比特控制的可扩展性。
• 识别影响相干性的材料相关噪声源，并通过栅极材料优化提出改进方案。

提出的方法

• 采用片外三维钽酸钾（KTO）介电谐振器，生成在平面SiMOS双量子点器件上均匀分布的全局微波磁场（B1）。
• 通过局部电门调节单个量子比特的共振频率，使其与全局B1场发生共振或脱离共振，实现选择性量子比特控制。
• 通过在共振频率施加微波脉冲，测量拉比振荡，观察自旋态之间的相干布居转移。
• 测量哈恩回波相干时间（T2^Hahn）和卡尔回声-脉冲-梅布姆-吉尔（CPMG）噪声谱分析，以比较退相干和噪声特性。
• 将本工作中的钯栅极与ALD AlOx绝缘层器件与参考器件（铝栅极与热生长AlOx）的相干性和噪声性能进行比较。
• 分析介电谐振器品质因数（Qi ≈ 780）和微波功率（≈20 μW）对量子比特控制保真度以及非期望加热或耦合的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过片外介电谐振器产生的全局微波磁场，在硅量子点中实现电子自旋的相干拉比振荡？
• RQ2 与传统的片上传输线控制相比，通过介电谐振器实现的全局控制是否会降低自旋量子比特的相干性？
• RQ3 栅极电极材料（Pd与Al）以及栅极电介质（ALD AlOx与热生长AlOx）在决定量子比特退相干和噪声水平方面起什么作用？
• RQ4 介电谐振器的品质因数在多大程度上限制了全局自旋控制的性能，特别是在功率效率和非期望耦合方面？
• RQ5 该全局控制方法能否扩展至数百万个量子比特，而不损害门保真度或相干性？

主要发现

• 成功在硅电子自旋量子比特中实现基于片外KTO介电谐振器产生的全局微波场的相干拉比振荡，在约20 μW输入功率下实现超过1 MHz的拉比频率。
• 测得Qubit 1的哈恩回波相干时间（T2^Hahn）为12.0 ± 1.2 μs，Qubit 2为10.0 ± 1.0 μs，表明其相干性足以支持NISQ时代操作。
• 采用全局控制的钯栅极与ALD-AlOx器件的相干时间与采用片上传输线的类似器件相比，仅低2–3倍，表明全局控制未造成显著性能下降。
• 使用钯栅极与ALD AlOx的器件噪声底限比使用铝栅极与热生长AlOx的器件高约10倍，表明栅极电介质材料是电荷噪声的主要来源。
• 铝栅极器件的相干时间（T2^Hahn）高出约10倍，支持ALD生长AlOx导致电荷噪声增加的假设，表明改用热生长AlOx可显著提升量子比特性能。
• 当前介电谐振器的品质因数（Qi ≈ 780）受限于材料损耗，但理论材料极限Qi > 60,000，表明在保持相同B1场强度下，所需微波功率有望降低100倍。