[论文解读] Deterministic Single Ion Implantation with 99.87% Confidence for Scalable Donor-Qubit Arrays in Silicon

Alexander Jakob, Simon G. Robson+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 51被引用 4

一句话总结

该论文通过片上电荷灵敏电子器件与扫描探针离子孔径，实现了在硅中磷离子的确定性单离子注入，置信度达99.87%，为可扩展量子计算中的量子点寄生子实现精确位置排列提供了可能。该方法通过结合低能离子束（14 keV）、实时离子检测与束流消隐技术，实现了接近理想的注入保真度，有效抑制了双次注入事件。

ABSTRACT

The attributes of group-V-donor spins implanted in an isotopically purified $^{28}$Si crystal make them attractive qubits for large-scale quantum computer devices. Important features include long nuclear and electron spin lifetimes of $^{31}$P, hyperfine clock transitions in $^{209}$Bi and electrically controllable $^{123}$Sb nuclear spins. However, architectures for scalable quantum devices require the ability to fabricate deterministic arrays of individual donor atoms, placed with sufficient precision to enable high-fidelity quantum operations. Here we employ on-chip electrodes with charge-sensitive electronics to demonstrate the implantation of single low-energy (14 keV) P$^+$ ions with an unprecedented $99.87\pm0.02$% confidence, while operating close to room-temperature. This permits integration with an atomic force microscope equipped with a scanning-probe ion aperture to address the critical issue of directing the implanted ions to precise locations. These results show that deterministic single-ion implantation can be a viable pathway for manufacturing large-scale donor arrays for quantum computation and other applications.

研究动机与目标

• 通过实现单个掺杂原子的确定性定位，实现硅中可扩展的寄生子阵列制造，以支持大规模量子计算。
• 克服传统离子注入的随机性，该随机性限制了控制精度并增加了大规模量子器件中的错误率。
• 展示一种可确保高置信度单离子注入的方法，最大限度减少阵列中故障或缺失的量子比特。
• 将片上电荷灵敏电子器件与扫描探针离子孔径集成，实现实时检测与控制单个离子注入。
• 验证在室温下实现确定性注入的可行性，且双次注入事件极少，这对容错量子架构至关重要。

提出的方法

• 采用通过扫描探针离子孔径输送的低能（14 keV）P+离子束，将离子精确注入硅器件的特定位置。
• 利用片上电荷灵敏电子器件实时检测每个离子沉积的电荷，实现注入的即时确认。
• 采用最小脉宽为100 ns的束流消隐技术，抑制双次注入，降低多个离子同时到达的概率。
• 计算双次注入概率为 $ P_{\mathrm{DI}} = \mathrm{e}^{-\tau r_{\mathrm{Ion}}} $，其中 $ \tau \approx 100\,\mathrm{ns} $ 且 $ r_{\mathrm{Ion}} \approx 1\,\mathrm{s}^{-1} $，结果为 $ P_{\mathrm{DI}} \sim 10^{-7} $。
• 使用TRIM和Crystal-TRIM代码模拟离子透射与能量损失，结合Fano统计与探测器噪声，实现精确的信号预测。
• 对Crystal-TRIM进行修改，引入Funsten模型以描述电子能量损失，相比Robinson模型，显著提升了低能硅反冲的模拟精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在接近室温下于硅中实现高置信度的确定性单离子注入？
• RQ2 利用实时电荷检测与束流消隐技术，单离子注入的最高可实现置信度是多少？
• RQ3 采用100 ns脉宽的束流消隐技术，在低注入速率下如何影响双次注入的概率？
• RQ4 使用改进能量损失模型的TRIM与Crystal-TRIM模拟，其结果在多大程度上能复现实验测得的离子信号谱？
• RQ5 将片上电荷灵敏电子器件与扫描探针离子孔径集成，能否实现对用于量子计算的寄生原子的精确、确定性定位？

主要发现

• 实验实现了 $ 99.87 \pm 0.02\% $ 的确定性单离子注入置信度，表明保真度接近理想水平。
• 双次注入概率测量值为 $ \sim 10^{-7} $，证实对注入保真度影响可忽略不计。
• 实验测得的信号谱与使用Crystal-TRIM结合Fano统计与探测器噪声的模拟谱高度一致，验证了模拟模型的准确性。
• 引入电子能量损失Funsten模型的改进版Crystal-TRIM代码，相比Robinson模型，与实验数据的吻合度更高。
• 该方法可在室温下实现确定性注入，与现有硅基制造工艺兼容，适用于可扩展的量子器件架构。
• 电荷灵敏电子器件与扫描探针离子孔径的集成，实现了对单个离子注入的实时检测与控制，对可扩展寄生子量子比特阵列至关重要。