[论文解读] Gate reflectometry for probing charge and spin states in linear Si MOS split-gate arrays

Louis Hutin, Benoît Bertrand+21 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2019

Semiconductor materials and devices被引用 4

一句话总结

本文展示了用于线性硅 MOS 分裂栅阵列中电荷态与自旋态高保真度、单次测量读出的门反射测量法。通过采用两种不同的反射测量方案——基于电流计的自旋探测与直接量子电容传感，该方法实现了对可制造硅量子点中自旋依赖电荷动力学的快速、非侵入式探测，从而推动了可扩展自旋量子比特架构的发展。

ABSTRACT

We fabricated linear arrangements of multiple splitgate devices along an SOI mesa, thus forming a 2xN array of individually controllable Si quantum dots (QDs) with nearest neighbor coupling. We implemented two different gate reflectometry-based readout schemes to either probe spindependent charge movements by a coupled electrometer with single-shot precision, or directly sense a spin-dependent quantum capacitance. These results bear significance for fast, high-fidelity single-shot readout of large arrays of foundrycompatible Si MOS spin qubits.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、非侵入式的硅基量子点阵列电荷与自旋态读出方法。
• 利用门反射测量法在可制造的硅 MOS 器件中实现自旋态的单次测量检测。
• 展示两种互补的反射测量方案：自旋依赖电荷运动检测与直接自旋依赖量子电容传感。
• 解决大规模硅自旋量子比特阵列中快速、高保真度读出的挑战。
• 在具有最近邻耦合的 2×N 线性阵列中验证该方法，该阵列由可独立控制的硅量子点构成。

提出的方法

• 在 SOI 基底上制备了 2×N 线性排列的分裂栅硅 MOS 量子点阵列，实现对每个量子点的独立控制与读出。
• 采用门反射测量法检测由电荷与自旋态跃迁引起的栅极电容变化。
• 实施耦合电流计方案，以单次测量精度探测自旋依赖电荷转移。
• 采用直接量子电容传感方法检测量子点电容响应中自旋依赖的变化。
• 利用反射测量技术的高阻抗与高灵敏度特性，实现无需直接电接触的单电子跃迁分辨。
• 在低温下进行测量，以最小化热噪声并确保量子相干行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 门反射测量法能否在硅 MOS 量子点中实现自旋态的单次测量读出？
• RQ2 在耦合量子点阵列中，自旋依赖电荷运动如何影响门反射测量信号？
• RQ3 通过门反射测量法进行直接量子电容传感，能否检测到量子点系统中自旋依赖的电容变化？
• RQ4 在可扩展、可制造的硅 MOS 架构中，门反射测量法读出的保真度与速度如何？
• RQ5 最近邻耦合与独立栅极控制如何影响线性阵列中的反射测量响应？

主要发现

• 门反射测量法成功实现了在 2×N 硅 MOS 量子点阵列中自旋依赖电荷转移的单次测量检测。
• 基于电流计的反射测量方案以高灵敏度与时间分辨率分辨出自旋态依赖的电荷运动。
• 通过门反射测量法实现的直接量子电容传感检测到了量子点电容中自旋依赖的变化，证实了自旋态依赖性。
• 该技术与可制造的硅 MOS 技术兼容，支持可扩展性。
• 测得的反射测量信号对电荷与自旋态跃迁均表现出清晰且可重复的特征，表明具有高保真度读出潜力。
• 结果验证了门反射测量法作为大规模硅自旋量子比特系统中快速、高保真度单次测量读出的可行且非侵入式方法。