[论文解读] Si/SiGe QuBus for single electron information-processing devices with memory and micron-scale connectivity function

Ran Xue, Max Beer+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2023

Quantum and electron transport phenomena参考文献 31被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种全电控的硅/硅锗量子总线（QuBus），仅通过六个可调电压脉冲，实现了在10 µm距离内高保真度、微米尺度的单电子输送。该器件在19 µm的往返传输中实现了（99.7 ± 0.3）%的创纪录输送保真度，展示了可扩展的、自旋保持的电荷传输，适用于量子计算，并具有构建大规模自旋量子比特架构的潜力。

ABSTRACT

The connectivity within single carrier information-processing devices requires transport and storage of single charge quanta. Our all-electrical Si/SiGe shuttle device, called quantum bus (QuBus), spans a length of 10 $\mathrmμ$m and is operated by only six simply-tunable voltage pulses. It operates in conveyor-mode, i.e. the electron is adiabatically transported while confined to a moving QD. We introduce a characterization method, called shuttle-tomography, to benchmark the potential imperfections and local shuttle-fidelity of the QuBus. The fidelity of the single-electron shuttle across the full device and back (a total distance of 19 $\mathrmμ$m) is $(99.7 \pm 0.3)\,\%$. Using the QuBus, we position and detect up to 34 electrons and initialize a register of 34 quantum dots with arbitrarily chosen patterns of zero and single-electrons. The simple operation signals, compatibility with industry fabrication and low spin-environment-interaction in $^{28}$Si/SiGe, promises spin-conserving transport of spin qubits for quantum connectivity in quantum computing architectures.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的、全电控的单电子输运器件，具备记忆功能和微米尺度连接能力，用于量子信息处理。
• 克服传统导线在量子器件中的局限性，即由于无序导致电荷局域化范围受限在约100 nm以内。
• 实现在28Si/SiGe异质结构中的自旋保持电子输运，该结构在量子计算中具有长自旋相干时间的潜力。
• 通过最少数量的控制信号，实现对量子点序列中最多34个电子的可靠初始化和检测。
• 引入一种新型表征方法——输送层析成像（shuttle tomography），用于基准测试局部输送保真度及大规模量子器件中潜在的缺陷。

提出的方法

• QuBus器件在硅/硅锗异质结构中制备，包含一条长10 µm、未掺杂的SiGe/Si/SiGe量子阱，形成一维电子通道（1DEC），由分置栅极限制。
• 在1DEC上方的两层金属上设置了超过100个克雷弗（clavier）栅极，通过静电门控形成可移动的量子点（QDs），实现单电子的传送带式输送。
• 通过六个控制端子（S1–S4，TLP，TLB1）施加按序电压脉冲，实现绝热地沿通道输送电子。
• 在左侧末端的单电子晶体管（SET）可高空间和电荷分辨率检测QD₀中电子的存在。
• 引入输送层析成像作为表征协议：通过测量重复输送循环后的检测保真度，该方法可分离出加载、检测和每步输送的误差。
• 误差分析采用关系式 $ F(n) = (1 - ho_{ ext{LD}}) imes (1 - ho_{ ext{shuttle}})^{2n} $，其中 $ F(n) $ 为经过 $ 2n $ 步输送后的观测保真度，从而提取出各项误差概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能在硅/硅锗异质结构中实现高保真度、全电控的微米尺度单电子输送？
• RQ2 在10 µm通道中，输送保真度的退化程度如何？是否能维持在可扩展量子计算所需的水平？
• RQ3 如何利用单电子探针探测并量化大规模量子器件中局部势阱无序和栅极缺陷？
• RQ4 仅用六个电压脉冲能否控制量子点序列中最多34个电子的初始化、传输和检测？
• RQ5 硅/硅锗中的传送带式输送是否保持自旋相干性，从而适用于基于自旋的量子计算架构？

主要发现

• QuBus在总传输距离19 µm（10 µm前向，9 µm返回）的条件下，实现了（99.7 ± 0.3）%的单电子输送保真度，证明了高保真度的长距离电荷传输。
• 每步输送的平均误差为 $ ho_{ ext{shuttle}} = 1 - F_{ ext{step}} = 0.004\text{%} $，对应每步保真度 $ F_{ ext{step}} = 99.996\text{%} $，置信区间为95%。
• 加载与检测误差 $ ho_{ ext{LD}} $ 测量值为 $ 0.7\text{%} $，检测过程高度可靠，因为在数千次参考测量中未观察到假阳性结果。
• 该器件支持在量子点序列中对最多34个电子进行初始化和检测，可实现单电子和零电子占据的任意模式。
• 仅使用六个控制端子即可实现复杂多电子态的制备与传输，与传统栅极阵列相比，显著降低了控制复杂度。
• 28Si/SiGe中较低的自旋环境相互作用，结合绝热传输，表明自旋量子比特可实现高保真度传输，从而支持可扩展的量子互连。