[论文解读] Impact of disorder on the distribution of gate coupling strengths in a spin qubit device

Sathish R. Kuppuswamy, Hugo Kerstens+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 6

一句话总结

本文提出了一种仿真框架，通过自动化静电优化与紧束缚建模，在真实无序条件下精确预测自旋量子比特器件中的栅极耦合强度。该方法在GaAs体系中与实验数据高度一致，并成功扩展至非平面Si FinFET启发的几何结构，实现每轮仿真仅需数分钟即可完成快速、可靠的器件调谐预测。

ABSTRACT

A scalable spin-based quantum processor requires a suitable semiconductor heterostructure and a gate design, with multiple alternatives being investigated. Characterizing such devices experimentally is a demanding task, with the full development cycle taking at least months. While numerical simulations are more time-efficient, their predictive power is limited due to unavoidable disorder and device-to-device variation. We develop a spin-qubit device simulation for determining the distribution of the coupling strengths between the electrostatic gate potentials and the effective device Hamiltonian in presence of disorder. By comparing our simulation results with the experimental data, we demonstrate that the coupling of the gate voltages to the dot chemical potential and the interdot tunnel coupling match up to disorder-induced variance. To demonstrate the flexibility of our approach, we also analyze an alternative non-planar geometry inspired by FinFET devices.

研究动机与目标

• 开发一种用于预测受静电无序影响的自旋量子比特器件中栅极耦合强度的仿真工具。
• 解决可扩展量子点阵列中器件间差异及制造引起的无序问题。
• 利用与实验性能匹配的数值仿真，实现自旋量子比特器件的快速、自动化调谐。
• 将仿真框架扩展至非平面几何结构，如FinFET启发的Si器件，以支持下一代量子处理器设计。

提出的方法

• 使用紧束缚模型在二维网格上离散化二维电子气哈密顿量，采用最近邻跃迁。
• 使用狄利克雷边界条件数值求解泊松方程，并在SiO2中将带电杂质表示为随机表面电荷。
• 执行两阶段优化：首先调节栅压以实现目标化学势和隧穿耦合，然后进一步优化以匹配目标值。
• 利用线性响应理论，通过哈密顿量参数对栅压的导数计算栅极耦合强度。
• 基于收敛性准则和异常值剔除筛选仿真结果，仅保留物理上有意义的实现。
• 将该方法应用于平面GaAs和非平面Si器件，通过与实验数据对比验证结果，并展示其可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含真实静电无序的条件下，数值仿真在多大程度上能准确预测自旋量子比特器件中栅极耦合强度的分布？
• RQ2 无序引起的方差在多大程度上影响栅压与关键哈密顿量参数（如化学势和隧穿耦合）之间的耦合？
• RQ3 该仿真框架能否在存在无序的情况下可靠地调谐器件，并重现实验测得的栅极耦合强度分布？
• RQ4 与平面结构相比，非平面FinFET启发的几何结构在栅极耦合非局域性和可调谐性方面表现如何？
• RQ5 该仿真流程能否实现每器件仅数分钟内完成，同时保持预测精度？

主要发现

• 仿真结果与实验不确定度一致，预测的栅极耦合强度对化学势和量子点间隧穿耦合的预测误差在1个标准差范围内。
• 经过筛选后，超过50%的无序实现收敛至稳定工作点，满足 |α−1|<0.01，|μi|<50 μeV，且 |tij−t0|<0.5 μeV。
• 非平面Si结构由于波函数局域化更强且栅极-量子点距离更短，表现出显著抑制的非局域栅极耦合。
• 通过算法优化，单个器件的仿真时间缩短至仅数分钟CPU时间。
• 该框架成功重现了GaAs器件中的实验栅极耦合强度分布，验证了其预测能力。
• 该方法在应用于复杂非平面几何结构时仍保持鲁棒性，展现出对未来器件设计的灵活性。