[论文解读] Shared control of a 16 semiconductor quantum dot crossbar array

Francesco Borsoi, Nico W. Hendrickx+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 7

一句话总结

该论文展示了在平面锗中对16个量子点交叉阵列实现共享控制，通过战略性布置的插层门和势垒门，仅使用亚线性数量的控制端子（T = 6g^{1/2} − 1）。通过将所有量子点调至少数电子态区域，并利用超过10 GHz的可调性实现选择性量子点间隧穿耦合，该工作实现了每个量子比特少于一条控制线的可扩展量子比特控制，标志着迈向容错量子计算的关键一步。

ABSTRACT

The efficient control of a large number of qubits is one of most challenging aspects for practical quantum computing. Current approaches in solid-state quantum technology are based on brute-force methods, where each and every qubit requires at least one unique control line, an approach that will become unsustainable when scaling to the required millions of qubits. Here, inspired by random access architectures in classical electronics, we introduce the shared control of semiconductor quantum dots to efficiently operate a two-dimensional crossbar array in planar germanium. We tune the entire array, comprising 16 quantum dots, to the few-hole regime and, to isolate an unpaired spin per dot, we confine an odd number of holes in each site. Moving forward, we establish a method for the selective control of the quantum dots interdot coupling and achieve a tunnel coupling tunability over more than 10 GHz. The operation of a quantum electronic device with fewer control terminals than tunable experimental parameters represents a compelling step forward in the construction of scalable quantum technology.

研究动机与目标

• 为解决固态量子计算中的可扩展性瓶颈问题，即每个量子比特使用一条控制线的强制控制方法在大规模下不可持续。
• 开发一种受经典随机存取系统启发的共享控制架构，以减少所需控制端子的数量。
• 展示使用最少数量的共享控制线，对半导体量子点二维阵列实现高效且可扩展的控制。
• 在交叉阵列架构中实现对量子点间隧穿耦合的高精度和高可调性选择性调节。
• 通过将全器件调至少数电子态区域并利用电荷稳定性图谱识别单个量子点，验证该方法的有效性。

提出的方法

• 采用二维交叉阵列架构，利用应变锗量子阱中的插层门和双势垒门（UB和LB层）定义16个量子点。
• 使用虚拟门技术将电荷稳定性图谱的转变映射到特定量子点，实现精确识别与控制。
• 实施共享控制策略，其中每个量子点通过两个正交门层的重叠控制线进行寻址，从而减少总端子数量。
• 应用自动化测量序列以获取二维电荷稳定性图谱，并在138 mK下通过极化线拟合提取隧穿耦合。
• 使用杠杆臂模型校准隧穿耦合，其中αε = 0.012(4) eV/V，并将数据拟合至指数衰减函数A·e^{-BVg}，以提取有效势垒杠杆臂。
• 采用基于概率的建模（w_{(i,j),(k,l)} = p_{U,(i,j)} · p_{L,(k,l)}）估算门之间的串扰效应，并量化控制保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过共享控制将锗中的16个量子点交叉阵列完全调至少数电子态区域？
• RQ2 在共享控制线的条件下，对量子点间隧穿耦合的选择性调节能力在多大程度上实现？
• RQ3 在共享控制架构中，势垒门对远距离量子点的串扰如何影响控制保真度？
• RQ4 在控制端子数量极少的条件下，能否可靠地将电荷稳定性图谱映射到交叉阵列中的单个量子点？
• RQ5 在共享控制交叉阵列架构中，隧穿耦合的可调范围是多少？

主要发现

• 整个16个量子点阵列成功调至少数电子态区域，所有量子点均实现奇数电子占据，这是实现未配对自旋量子比特初始化的前提条件。
• 通过共享控制线，实现了超过10 GHz的量子点间隧穿耦合可调性，证明了在可扩展架构中具有高可调性。
• 下层势垒（UB）门的有效势垒杠杆臂测量值为0.007 ± 0.002 mV⁻¹，而上层势垒（LB）门为0.021 ± 0.003 mV⁻¹，表明LB门在耦合控制方面更有效。
• 对于顶层，LB门的杠杆臂为0.026 ± 0.003 mV⁻¹，证实了阵列中性能的一致性。
• 门串扰的概率模型显示，在目标量子点处的最大值为0.25–0.5，与因垂直门到量子点距离（>60 nm）导致的远距离门影响一致。
• 通过自动化测量和150次迹线平均，仅用数小时便获取了完整的30×30电荷稳定性图谱，实现了高精度的隧穿耦合提取。