[论文解读] Two-qubit logic with anisotropic exchange in a fin field-effect transistor

Simon Geyer, Bence Hetényi+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2022

Quantum and electron transport phenomena参考文献 49被引用 9

一句话总结

该论文通过强自旋-轨道耦合调控的各向异性交换相互作用，在硅鳍栅场效应晶体管（FinFET）中的空穴自旋上实现了高保真度、24 ns 的受控旋转（CROT）两量子比特门。该各向异性源于自旋-轨道相互作用和可调的g张量效应，使得在不同磁场取向条件下均能实现快速且高保真度的两量子比特操作，且无需在速度与保真度之间进行权衡。

ABSTRACT

Semiconductor spin qubits offer a unique opportunity for scalable quantum computation by leveraging classical transistor technology. Hole spin qubits benefit from fast all-electrical qubit control and sweet spots to counteract charge and nuclear spin noise. The demonstration of a two-qubit quantum gate in a silicon fin field-effect transistor, that is, the workhorse device of today's semiconductor industry, has remained an open challenge. Here, we demonstrate a controlled rotation two-qubit gate on hole spins in an industry-compatible device. A short gate time of 24 ns is achieved. The quantum logic exploits an exchange interaction that can be tuned from above 500 MHz to close-to-off. Significantly, the exchange is strikingly anisotropic. By developing a general theory, we show that the anisotropy arises as a consequence of a strong spin-orbit interaction. Upon tunnelling from one quantum dot to the other, the spin is rotated by almost 90 degrees. The exchange Hamiltonian no longer has Heisenberg form and is engineered in such a way that there is no trade-off between speed and fidelity of the two-qubit gate. This ideal behaviour applies over a wide range of magnetic field orientations rendering the concept robust with respect to variations from qubit to qubit. Our work brings hole spin qubits in silicon transistors a step closer to the realization of a large-scale quantum computer.

研究动机与目标

• 在硅FinFET平台中利用空穴自旋实现可扩展、与工业兼容的两量子比特量子门。
• 克服空穴自旋量子比特中由于复杂交换各向异性导致的可控、高保真度两量子比特相互作用的挑战。
• 证明空穴自旋中的各向异性交换可同时实现高速与高保真度的两量子比特门，且无性能权衡。
• 建立一个通用的理论框架，将量子点中的自旋-轨道相互作用与交换各向异性联系起来。
• 验证门操作在不同磁场取向和器件参数下的鲁棒性。

提出的方法

• 采用共制造的硅FinFET，通过控制栅和势垒栅形成双量子点，实现对空穴自旋的全电控。
• 利用微波驱动的拉比振荡在控制量子比特上实现CROT门，门时间优化至24 ns。
• 使用广义交换矩阵形式化方法对两自旋哈密顿量进行建模，包含Zeeman分裂和自旋-轨道耦合效应。
• 推导出交换分裂 $ J_{\parallel} = \mathbf{n}_1 \cdot \mathcal{J} \mathbf{n}_2 $，其中 $ \mathcal{J} $ 依赖于自旋-轨道旋转角 $ \theta_{\text{so}} $，实现各向异性调控。
• 对时变驱动下的哈密顿量进行数值时间演化，模拟门保真度，并校正单量子比特相位。
• 从实验数据中提取完整的交换矩阵，以确定最佳工作点并预测门性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在硅FinFET中利用空穴自旋和全电控实现高保真度两量子比特门？
• RQ2 自旋-轨道相互作用如何诱导交换相互作用的各向异性，且能否用于提升门性能？
• RQ3 交换各向异性是否对磁场取向和器件参数的变化具有鲁棒性？
• RQ4 通过工程化各向异性，能否在空穴自旋量子比特中消除门速度与保真度之间的权衡？
• RQ5 g张量各向异性和自旋-轨道耦合在1D空穴系统中对交换相互作用的形成起何种作用？

主要发现

• 实现了24 ns的受控旋转（CROT）两量子比特门，展示了硅FinFET中的高速操作。
• 交换相互作用表现出强烈的各向异性，分裂可从500 MHz以上调节至接近零，实现精确控制。
• 各向异性源于强自旋-轨道耦合和g张量各向异性，经实验数据拟合得到验证。
• 实验测得交换分裂 $ J_{\parallel} $ 随磁场方向显著变化，证实了各向异性行为。
• 理论模型成功预测了不同磁场取向下门性能，显示出对器件参数变化的鲁棒性。
• 由于工程化各向异性的作用，保真度在宽广的磁场角度范围内保持稳定，消除了速度与保真度之间的权衡。