[论文解读] Gate-sensing coherent charge oscillations in a silicon field-effect transistor

M. Fernando González-Zalba, S. N. Shevchenko+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2016

Quantum and electron transport phenomena被引用 6

一句话总结

该论文通过高频谐振器的栅极传感，在硅纳米线场效应晶体管中实现了相干电荷振荡与色散读出。通过观测谐振器相位响应中的兰道-津纳-施特克尔贝格-马约拉纳干涉，作者提取出电荷相干时间 $ T_2 \approx 100 \, \text{ps} $，证明了CMOS兼容晶体管能够支持电荷量子比特的可扩展量子调控与测量。

ABSTRACT

Quantum mechanical effects induced by the miniaturization of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology hamper the performance and scalability prospects of field-effect transistors. However, those quantum effects, such as tunnelling and coherence, can be harnessed to use existing CMOS technology for quantum information processing. Here, we report the observation of coherent charge oscillations in a double quantum dot formed in a silicon nanowire transistor detected via its dispersive interaction with a radio-frequency resonant circuit coupled via the gate. Differential capacitance changes at the inter-dot charge transitions allow us to monitor the state of the system in the strong-driving regime where we observe the emergence of Landau-Zener-St{ü}ckelberg-Majorana interference on the phase response of the resonator. A theoretical analysis of the dispersive signal demonstrates that quantum and tunnelling capacitance changes must be included to describe the qubit-resonator interaction. Furthermore, a Fourier analysis of the interference pattern reveals a charge coherence time, $T_2\approx 100$~ps. Our results demonstrate charge coherent control and readout in a simple silicon transistor and open up the possibility to implement charge and spin qubits in existing CMOS technology.

研究动机与目标

• 展示在CMOS兼容的硅纳米线晶体管中对双量子点（DQD）的相干调控与色散读出。
• 研究在强驱动条件下，量子电容与隧穿电容在自旋-谐振器相互作用中的作用。
• 通过兰道-津纳-施特克尔贝格-马约拉纳干涉图案的傅里叶分析，提取电荷相干时间 $ T_2 $。
• 建立基于现有CMOS技术的可扩展电荷量子比特调控与读出平台。

提出的方法

• 采用具有50 nm环绕栅极的全耗尽绝缘体上硅（SOI）纳米线晶体管，通过方形截面沟道中的拐角效应形成双量子点。
• 栅极与射频频率的高Q值谐振器耦合，通过双量子点电荷跃迁处微分电容的变化，实现色散电荷传感。
• 在可变频率的微波驱动下，通过双量子点能级的反交叉产生强相干拉比型振荡，实现兰道-津纳-施特克尔贝格-马约拉纳（LZSM）干涉测量。
• 测量谐振器的相位响应并进行傅里叶变换，以提取退相干动力学，利用倒空间中的衰减率确定 $ T_2 $。
• 理论建模同时考虑了因能带曲率引起的量子电容与因快速态重分布引起的隧穿电容，在色散相互作用中起关键作用。
• 在三种微波驱动状态下进行实验验证：相干、非相干与中间状态，以交叉校验相干时间估计值。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过栅极传感与谐振器基色散检测，在硅CMOS晶体管中观测并控制相干电荷振荡？
• RQ2 在快速弛豫系统中，量子电容与隧穿电容的贡献如何共同影响量子比特-谐振器相互作用？
• RQ3 在强驱动条件下，从LZSM干涉图案中提取的双量子点电荷相干时间 $ T_2 $ 是多少？
• RQ4 谐振器相位响应的傅里叶变换能否准确揭示CMOS集成量子比特系统中的退相干动力学？

主要发现

• 作者在谐振器相位响应中观测到清晰的兰道-津纳-施特克尔贝格-马约拉纳干涉条纹，证实了在强驱动条件下对双量子点的相干调控。
• 通过干涉图案的傅里叶变换，提取出电荷相干时间 $ T_2 $ 为 $ 100 \pm 50 \, \text{ps} $，与其它半导体双量子点系统中报道的数值一致。
• 结果表明，谐振器的色散响应源于量子电容（来自能带曲率）与隧穿电容（来自快速态重分布）的共同作用，二者对精确建模均至关重要。
• 相干时间已在三种微波驱动频率下得到验证：34 GHz（相干，存在干涉）、26 GHz（中间，一个清晰振荡）与14 GHz（非相干，无干涉），证实 $ f_{\text{mw}} \approx T_2^{-1} $。
• 结果表明，现有CMOS技术可支持具备原位栅极传感读出与相干调控能力的可扩展电荷量子比特架构。