[论文解读] Impact of electrostatic crosstalk on spin qubits in dense CMOS quantum dot arrays

Jesús D. Cifuentes, Tuomo Tanttu+21 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2023

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design被引用 4

一句话总结

本文建立了一个理论框架，解释了在CMOS量子点阵列中，邻近栅极的静电串扰如何通过自旋-轨道耦合在硅自旋量子比特中引起塞曼位移。研究表明，栅极产生的电场可调节量子比特的拉莫频率，且存在可测量的变异性；并确定[100]晶向为最小化退相干和g因子波动的最优方向，从而实现大规模量子处理器中的可扩展全局控制。

ABSTRACT

Quantum processors based on integrated nanoscale silicon spin qubits are a promising platform for highly scalable quantum computation. Current CMOS spin qubit processors consist of dense gate arrays to define the quantum dots, making them susceptible to crosstalk from capacitive coupling between a dot and its neighbouring gates. Small but sizeable spin-orbit interactions can transfer this electrostatic crosstalk to the spin g-factors, creating a dependence of the Larmor frequency on the electric field created by gate electrodes positioned even tens of nanometers apart. By studying the Stark shift from tens of spin qubits measured in nine different CMOS devices, we developed a theoretical frawework that explains how electric fields couple to the spin of the electrons in increasingly complex arrays, including those electric fluctuations that limit qubit dephasing times $T_2^*$. The results will aid in the design of robust strategies to scale CMOS quantum technology.

研究动机与目标

• 理解相邻栅极的静电串扰如何影响密集CMOS量子点阵列中自旋量子比特的特性。
• 量化电场通过自旋-轨道相互作用及界面无序对量子比特拉莫频率的影响。
• 识别可最小化自旋量子比特退相干和g因子可变性的最优磁场方向。
• 建立一个可扩展的框架，用于表征多个量子比特间特定栅极的斯塔克位移可调性。
• 通过考虑电场耦合效应，实现大规模硅自旋量子比特处理器中稳健的全局控制协议。

提出的方法

• 利用量子比特光谱法，在九个不同的CMOS器件中测量了30个自旋量子比特的斯塔克位移。
• 提出一个理论模型，将电场梯度与g因子位移通过自旋-轨道耦合关联：$ \frac{dg_n}{dV_g} = \frac{dx}{dV} \cdot \vec{\nabla}g $。
• 对粗糙SiO₂界面处的MOS量子点进行原子尺度模拟，以建模无序效应。
• 绘制$ T_2^* $对磁场方向的依赖关系，以分离电噪声贡献。
• 将单个量子比特的斯塔克位移可调性与$ T_2^* $分布相关联，以验证模型。
• 使用虚拟栅极的线性组合来模拟单个量子比特控制，其参数基于实测的$ \frac{dg_n}{dV_g} $。

实验结果

研究问题

• RQ1 邻近栅极的静电串扰如何影响CMOS量子点阵列中自旋量子比特的拉莫频率？
• RQ2 自旋-轨道耦合在将电场效应传递至硅基量子比特的自旋g因子中起什么作用？
• RQ3 磁场方向如何影响电噪声与自旋量子比特的耦合，以及由此导致的$ T_2^* $退相干时间？
• RQ4 局部界面无序对量子比特间斯塔克位移可调性变异性有何影响？
• RQ5 能否建立一个统一框架，以预测并补偿大规模自旋量子比特阵列中栅极诱导的电场效应？

主要发现

• 每个量子比特的g因子因局域无序而发生变化，导致其斯塔克位移响应因栅极位置和电子位移方向而异。
• 距离数十纳米外的栅极产生的电场可通过自旋-轨道耦合在量子比特中诱导可测量的斯塔克位移，其可调性取决于栅极与量子比特的位置关系。
• 磁场的[100]晶向可最小化g因子可变性并减少电噪声耦合，从而获得更高且更均匀的$ T_2^* $时间。
• 在九个器件中测量的30个量子比特的斯塔克位移可调性与理论预测及$ T_2^* $分布高度一致，验证了模型的可靠性。
• 该框架可通过虚拟栅极的线性组合实现单个量子比特控制，前提是每个量子比特-栅极对的$ \frac{dg_n}{dV_g} $均已表征。
• 仅在谷态或轨道简并的情况下，模型失效，此时轨道混合作用主导自旋-轨道耦合，无序效应变得不可预测。