[论文解读] Single-electron control in a foundry-fabricated two-dimensional qubit array

Fabio Ansaloni, Anasua Chatterjee+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 41被引用 13

一句话总结

本文通过脉冲门技术与门反射测量法，在晶圆厂制造的硅 2×2 量子点阵列中实现了单电子控制，并实现了单次测量电荷读出。该二维架构支持单个、双个及三个量子点的原位重构，具有可调的隧穿耦合，且可通过循环电子输送实现电子对的空间交换，而不会发生双占据，这是迈向可扩展硅量子比特阵列中拓扑量子计算的关键一步。

ABSTRACT

Silicon spin qubits have achieved high-fidelity one- and two-qubit gates, above error correction thresholds, promising an industrial route to fault-tolerant quantum computation. A significant next step for the development of scalable multi-qubit processors is the operation of foundry-fabricated, extendable two-dimensional (2D) arrays. In gallium arsenide, 2D quantum-dot arrays recently allowed coherent spin operations and quantum simulations. In silicon, 2D arrays have been limited to transport measurements in the many-electron regime. Here, we operate a foundry-fabricated silicon 2x2 array in the few-electron regime, achieving single-electron occupation in each of the four gate-defined quantum dots, as well as reconfigurable single, double, and triple dots with tunable tunnel couplings. Pulsed-gate and gate-reflectometry techniques permit single-electron manipulation and single-shot charge readout, while the two-dimensionality allows the spatial exchange of electron pairs. The compact form factor of such arrays, whose foundry fabrication can be extended to larger 2xN arrays, along with the recent demonstration of coherent spin control and readout, paves the way for dense qubit arrays for quantum computation and simulation.

研究动机与目标

• 在面向可扩展量子计算的二维、晶圆厂制造的硅量子点阵列中，实现单电子控制。
• 在具有可调隧穿耦合的条件下，实现单个、双个及三个量子点构型的原位可重构性。
• 通过传感器量子点上的基于门的反射测量法，实现单次测量电荷读出。
• 在二维阵列中通过受控电子输送实现电子对的空间置换，且不发生双占据。
• 建立一种紧凑、可扩展的架构，兼容工业制造，并为未来的容错量子计算奠定基础。

提出的方法

• 通过在无掺杂硅纳米线沟道上施加门电压，利用四个分立门电极在晶圆厂制造的器件中形成量子点。
• 采用脉冲门技术，实现在少电子区域中对单个电子态的高带宽操控。
• 利用射频载波和同幅检测的门反射测量法，测量线焊门（G4）上的解调电压 $V_{\mathrm{H}}$，实现单次测量电荷读出。
• 校准补偿控制电压 $V_{\mathrm{n}}^{\mathrm{c}}$，以调节量子比特量子点的化学势，同时不影响传感器量子点（量子点 4）。
• 通过共用的顶栅电极实现对整个阵列隧穿耦合的全局调节。
• 通过 $\epsilon_2^c$–$\epsilon_3^c$ 控制平面内的闭合回路电压路径，实现电子的循环穿梭，从而在不发生双占据的情况下完成两个电子的空间置换。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在晶圆厂制造的二维硅量子点阵列中实现单电子控制和可重构的多量子点构型？
• RQ2 门反射测量法能否在少电子区域中实现高可见度、信号衰减最小的单次测量电荷读出？
• RQ3 能否在二维阵列中实现电子交换（空间置换），且不发生双占据或库仑 reservoir 交换，从而实现拓扑操作？
• RQ4 传感器门与其他量子点之间的电容串扰如何影响色散电荷传感的灵敏度和分辨率？
• RQ5 传感器量子点在未来实现中能否同时用作量子比特量子点，从而实现高密度、可扩展的量子比特阵列？

主要发现

• 2×2 硅量子点阵列在少电子区域工作，成功在四个门定义的量子点中实现单电子占据。
• 脉冲门测量实现了对单个电子的高带宽操控，通过量子点 4 上的门反射测量法实现单次测量电荷读出。
• 反射测量信号中的蜂窝状图案（图 1d）清晰显示了量子点 1 和量子点 4 的跃迁，表明存在强交叉电容，从而提升了灵敏度。
• 在 $\epsilon_2^c$–$\epsilon_3^c$ 平面内的闭合回路电压路径实现了电子的循环穿梭：011 → 101 → 110 → 011，证明了在不发生双占据的情况下实现两个电子的空间置换。
• 一个穿梭周期的时间轨迹（图 4d）清晰分辨出三个不同的电荷跃迁，证实了通过受控隧穿实现的电子物理交换。
• 传感器量子点（量子点 4）保持在少电子区域（6–9 个电子），其状态用于在电压扫描过程中验证量子比特构型的序列。