[论文解读] Low charge noise quantum dots with industrial CMOS manufacturing

Asser Elsayed, Mohamed Shehata+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2022

Quantum and electron transport phenomena参考文献 61被引用 4

一句话总结

本论文展示了利用定制化300毫米工业CMOS产线制造的低电荷噪声硅MOS自旋量子比特，实现了1 Hz时平均电荷噪声低至0.61 μeV/√Hz的纪录水平，在部分器件中噪声低于0.1 μeV/√Hz。通过优化MOS栅堆叠结构并利用CMOS可扩展性，作者在毫开尔文温度下实现了稳定且均匀的量子点操作，其噪声特性可由双态涨落器模型良好描述。

ABSTRACT

Silicon spin qubits are among the most promising candidates for large scale quantum computers, due to their excellent coherence and compatibility with CMOS technology for upscaling. Advanced industrial CMOS process flows allow wafer-scale uniformity and high device yield, but off the shelf transistor processes cannot be directly transferred to qubit structures due to the different designs and operation conditions. To therefore leverage the know-how of the micro-electronics industry, we customize a 300mm wafer fabrication line for silicon MOS qubit integration. With careful optimization and engineering of the MOS gate stack, we report stable and uniform quantum dot operation at the Si/SiOx interface at milli-Kelvin temperature. We extract the charge noise in different devices and under various operation conditions, demonstrating a record-low average noise level of 0.61 $μ$eV/${\sqrt{Hz}}$ at 1 Hz and even below 0.1 $μ$eV/${\sqrt{Hz}}$ for some devices and operating conditions. By statistical analysis of the charge noise with different operation and device parameters, we show that the noise source can indeed be well described by a two-level fluctuator model. This reproducible low noise level, in combination with uniform operation of our quantum dots, marks CMOS manufactured MOS spin qubits as a mature and highly scalable platform for high fidelity qubits.

研究动机与目标

• 利用300毫米工业CMOS制造产线集成硅MOS自旋量子比特，以实现可扩展的量子计算。
• 实现硅基量子系统中高保真度量子比特操作所必需的低电荷噪声水平。
• 通过CMOS兼容工艺在毫开尔文温度下实现均匀且稳定的量子点操作。
• 识别并表征CMOS制造的量子点中主导的电荷噪声源。
• 通过统计分析验证双态涨落器模型作为主要噪声机制的适用性。

提出的方法

• 针对硅MOS量子比特集成，对300毫米工业CMOS工艺流程进行定制化改造，重点聚焦于栅堆叠结构工程。
• 利用标准CMOS光刻与刻蚀技术在Si/SiOx界面制造量子点。
• 在毫开尔文温度下进行低温电学测量，以评估量子点的稳定性与电荷噪声。
• 在多个器件及工作条件下进行电荷噪声谱分析，以提取噪声功率谱密度。
• 对噪声数据进行统计分析，以检验双态涨落器模型的有效性，并建立噪声与器件参数之间的关联。
• 采用300毫米晶圆级平台，以确保器件间的一致性与高良率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否成功利用定制化工业CMOS产线制造硅MOS自旋量子比特？
• RQ2 在毫开尔文温度下，CMOS制造的硅量子点可实现的电荷噪声水平是多少？
• RQ3 在CMOS平台上，电荷噪声如何随不同器件及工作条件变化？
• RQ4 双态涨落器模型是否能有效描述这些器件中主导电荷噪声源？
• RQ5 CMOS制造工艺在多大程度上能够实现均匀、可扩展且低噪声的量子点操作？

主要发现

• 作者在多个器件中实现了1 Hz时平均电荷噪声低至0.61 μeV/√Hz的纪录水平。
• 在部分器件及工作条件下，电荷噪声低于0.1 μeV/√Hz，表明实现了卓越的噪声抑制效果。
• 统计分析证实，主导电荷噪声源可由双态涨落器模型良好描述。
• 在300毫米晶圆上实现了稳定且均匀的量子点操作，为晶圆级可扩展性提供了支持。
• MOS栅堆叠结构工程显著减少了界面与氧化物缺陷，从而贡献于低噪声性能。
• 结果确立了CMOS制造的硅MOS量子比特作为高保真度量子计算成熟且可扩展的平台。