Improving the output signal of charge readout for quantum computing in electrostatically defined quantum dots with a new sensing dot concept

Kammerloher, Eugen; Bluhm, Jörg (Thesis advisor); Bougeard, Dominique (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Um hochskalierbare Quantensysteme über den Entwicklungsstand von rauschanfälligen Quantensystemen, mit einer mittleren Anzahl an Qubits hinaus zu ermöglichen, muss der Wärmebeitrag der Ausleseoperation eines Qubits minimiert werden und die Ausleseelektronik gut skalierbar sein. Die Basisband Auslese, bei der Transistoren in unmittelbare Nähe zum Qubit positioniert werden, ist ein vielversprechender Ansatz für eine gut skalierbare und energieeffiziente Lösung dieser Herausforderung. Ein Quantenpunkt ist der derzeitig empfindlichste Sensor, zur Auslese von Festkörper-Spin-Qubits. Jedoch wird der Ausgangspegel in gewöhnlichen Quantenpunkten, von einer großen Kapazität der Elektronensenke zum Quantenpunkt limitiert. In dieser Arbeit entwickeln und demonstrieren wir einen Sensor zur Qubitauslese, ASD genannt, der diese Nachteile nicht aufweist. Beim ASD ist die Elektronsenke und Elektronenquelle asymmetrisch angeordnet, sodass die kapazitive Kopplung der Elektronensenke deutlich reduziert wird.Wir führen elektrostatische Simulationen an Halbleiterqubit-Strukturen durch, um eine Gatterelektrodenanordnung zu erarbeiten, die die Funktionsweise des ASD demonstriert. Zu diesem Zweck, entwickeln wir eine Programmbibliothek, comsolkit genannt, um das Erstellen komplexer Gatterelektrodenanordnungen zu erleichtern. Wir erarbeiten eine gut steuerbare Anordnung, die zum konventionellen Quantenpunkt eine etwa vierzigfach geringere Kapazität zur Elektronensenke aufweist, wenn Unordnungs- und Verbreiterungseffekte nicht berücksichtigt werden. Weiterhin führen wir Messungen an verschiedenen ASD Proben durch und messen eine Kapazitätsverringerung zur Elektronensenke von $13 \pm 1$ bei $V_{SD} \ge 4.5\,\text{mV}$ angelegter Spannung. Wir verzeichnen einen Ausgangspegel von $(3.0\pm 0.2)\,\text{mV}$ bei konstantem Strom, bei der Messung der zwei relevanten Ladungszustände eines Qubits-artigen Doppelquantenpunts mit dem ASD als Ladungssensor, was eine deutliche Verbesserung zum konventionellem Quantenpunkt ist. Wir führen Simulationen durch, um die Vorteile des ASD in einer Basisband Auslese abzuschätzen. Der ASD erreicht $4\,\mu e/\sqrt{\text{Hz}}$ bei MHz Bandbreite, für eine hochintegrierte Ausleselektronik und realistische Transistor-Parameter, wobei der $1/f$ Rauschanteil des Transistors vernachlässigt wird. Dieser Wert ist vergleichbar mit hochsensiblen Reflekometrie-basierten Ansätzen der Auslese eines supraleitenden Quantenpunkts. Die verwendeten Transistor Parameter, werden aus Charakterisierungsmessungen bei tiefen Temperaturen abgeleitet. Bei einem konservativen $1/f$ Transistor Rauschmodell, erreicht der ASD $82\,\mu e/\sqrt{\text{Hz}}$, was mit Reflektometrie-basierten Ansätzen vergleichbar ist.