[论文解读] Intrinsic Noise of the Single Electron Box

Laurence Cochrane, Ashwin A. Seshia+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

该论文通过分析在周期性栅压激励下由随机电子隧穿引起的本征电流噪声，为射频单电子盒（SEB）建立了噪声模型。利用主方程形式化方法与马尔可夫蒙特卡洛模拟，研究发现该噪声为循环平稳噪声，其频谱相关性显著影响量子比特读出的信噪比，并提供了实验检测与抑制该噪声的条件，以提升读出保真度。

ABSTRACT

The radio-frequency Single-Electron Box is becoming an attractive charge sensor for semiconductor-based quantum computing devices due to its high sensitivity and small footprint, which facilitates the design of highly connected qubit architectures. However, an understanding of its ultimate sensitivity is missing due to the lack of a noise model. Here, we quantify the intrinsic noise of the Single-Electron Box arising from stochastic cyclic electron tunnelling between a quantum dot and a reservoir driven by a periodic gate voltage. We use both a master equation formalism and Markov Monte Carlo simulations to calculate the gate noise current, and find the noise mechanism can be represented as a cyclostationary process. We consider the implications of this cyclostationary noise on the ultimate sensitivity of Single-Electron Box sensors for fast, high-fidelity readout of spin qubits, in particular evaluating results for radio-frequency reflectometry implementations and the backaction of the sensor on a qubit. Furthermore, we determine the conditions under which the intrinsic noise limit could be measured experimentally and techniques by which the noise can be suppressed to enhance qubit readout fidelity.

研究动机与目标

• 建立射频单电子盒（SEB）本征噪声的理论与计算框架，SEB是半导体量子计算中一种有前景的电荷传感器。
• 解决目前尚无类似单电子晶体管（SET）中广泛接受的散粒噪声模型的SEB噪声模型的缺失问题。
• 量化时变噪声谱与频谱相关性对基于射频反射测量的自旋量子比特读出中信噪比的影响。
• 识别本征噪声极限可被测量的实验条件，以及抑制该噪声以提升测量保真度的关键策略。

提出的方法

• 采用主方程方法，将SEB在周期性栅压激励下的随机电子隧穿过程建模为循环平稳过程。
• 推导出时变电流噪声功率谱密度 $ S_I(t, u) $，将其视为由于驱动频率 $ u_0 $ 而具有时间周期性的函数。
• 引入频谱相关函数 $ S_I^{n heta_0}( u) $，定义为 $ S_I(t, u) $ 的傅里叶分量，以捕捉时变噪声动力学。
• 对描述电子隧穿的时变非时齐马尔可夫过程执行马尔可夫蒙特卡洛模拟，时间步长为 $ au = T/N_ ext{Δ} $。
• 建立SEB的小信号等效电路模型，包含量子电容与西西弗斯电阻，并通过从拉普拉斯域传递函数推导的IIR数字滤波器，引入隧穿事件的反馈。
• 通过本振混频与低通滤波器实现数值同步解调，随后进行抽取与功率谱密度估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高频周期性栅压激励下，SEB的本征噪声行为如何？是否可被描述为循环平稳过程？
• RQ2 频谱相关函数 $ S_I^{n heta_0}( u) $ 在基于射频反射测量的量子比特读出过程中，对信噪比的劣化或增强起何作用？
• RQ3 在何种实验条件下可测量SEB的本征噪声极限？影响可检测性的关键参数是什么？
• RQ4 如何抑制SEB的本征噪声，以提升快速、高保真度自旋量子比特读出的性能？

主要发现

• SEB的本征噪声并非平稳，而是循环平稳的，其噪声功率谱密度 $ S_I(t, u) $ 随驱动频率 $ u_0 $ 周期性变化，这使得标准平稳噪声模型失效。
• 频谱相关函数 $ S_I^{n heta_0}( u) $（类似于噪声谐波）必须在信号处理中予以考虑，因其在同步解调后显著影响信噪比。
• 模拟结果表明，当每周期采样点数 $ N_ ext{Δ} = 2^{11} $ 时，频谱相关性估计达到收敛，验证了该数值方法在准确表征噪声方面的有效性。
• 零频噪声功率谱 $ S_X(0) $ 通过基于FFT的周期图法估计，其标准误基于 $ N = 500 $ 次模拟试验得出。
• 噪声的循环平稳特性导致测得的噪声功率随本振相位 $ heta $ 呈旋轮线调制，其关系为 $ S_X( heta) = S_X^0 + riangle S_X an(2 heta + heta_0) $，从而可提取 $ S_X $ 与 $ riangle S_X $。
• 该模型可识别本征噪声占主导的参数区域，为实验检测与抑制策略提供路线图，以提升量子比特读出保真度。