Relaxation and decoherence of a 28Si/SiGe spin qubit with large valley splitting

Hollmann, Arne; Bluhm, Jörg (Thesis advisor); Bougeard, Dominique (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Elektronenspin-Qubits in elektrostatisch definierten Si/SiGe-Quantenpunkten sind zu einer der vielversprechendsten Plattformen für spinbasierte Quantenberechnungen geworden. Einzelqubitgatter-Fidelitäten über dem Fehlerkorrekturschwellenwert und Zweiqubitgatter wurden demonstriert. Die Anwendung industrieller Fertigungsprozesse und die Integration herkömmlicher Siliziumelektronik eröffnen die Perspektive einer hochskalierbaren und dichten Quantencomputerarchitektur. Allerdings werden Quantenpunkte in Si/SiGe vermehrt durch das relativ kleine Valleysplitting beeinträchtigt und folglich auch die Betriebstemperatur und die Skalierbarkeit. In dieser Arbeit zeigen wir ein robustes und großes Valleysplitting von mehr als 200$\,\mu$eV in einem elektrostatisch definierten Quantenpunkt in Molekularstrahlepitaxie gewachsenen $^{28}$Si/SiGe mit einem restlichen $^{29}$Si Anteil von nur 60$\,$ppm. Im Bereich niedriger Magnetfelder beobachten wir statische Spinrelaxationszeiten $T_1> 1\,$s. Bei höheren Magnetfeldern wird $T_1$ durch den Valley-Hotspot und durch Phononenrauschen limitiert, das über künstliche und intrinsische Spin-Bahn-Wechselwirkung einkoppelt. Das reproduzierbar große, stabile Valleysplitting ist ein Fortschritt für die Realisierung von Mehrqubit-Systemen sowie erhöhter Betriebstemperatur. Ferner zeigen wir Single-Shot Spin-Auslese und Spinmanipulation durch elektrische Dipolspinresonanz mittels eines eindomänigen Nanomagenten. Die maximale Rabi-Frequenz von 1 MHz wird durch einen unbeabsichtigten Elektronenaustausch mit dem Reservoir begrenzt. Für eine Messzeit von vier Minuten messen wir eine Dephasierungszeit von $T_2^*=(19.14\pm0.40)\,\mu\text{s}$. Mögliche Messungen um die zugrunde liegenden Dephasierungsmechanismen zu unterscheiden, werden diskutiert. Die gemessene Rekord-Echozeit von $T_2^\text{echo} = (131\pm4)\,\mu\text{s}$ ist unbeeinträchtigt vom Spannungsbias und Strom des benachbarten Ladungssensors. Quantenfehlerkorrektur erfordert Millionen physikalischer Qubits und daher eine skalierbare Quantencomputerarchitektur. Um Probleme mit der Signalleitungsbandbreite und den Zuleitungen zu lösen, können für die Qubit-Manipulation erforderliche Mikrowellenquellen in der Nähe des Qubit-Chips eingebettet sein. In diesem Zusammenhang führen wir die ersten Niedertemperaturmessungen eines von 300 K bis 4 K funktionierenden, spannungsgesteuerten 130-nm-BiCMOS basierten SiGe-Oszillators durch. Dazu werden die Frequenz- und Leistungsabhängigkeit von Temperatur und Magnetfeld bis 5 T bestimmt und der Temperatureinfluss auf das Rauschverhalten gemessen.

Einrichtungen

• Fachgruppe Physik [130000]
• Lehrstuhl für Experimentalphysik und II. Physikalisches Institut [132210]