Spin qubit control and readout using cryogenic electronics

Otten, René; Bluhm, Jörg (Thesis advisor); Charbon, Edoardo (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Jüngste Fortschritte auf dem Gebiet des Quantencomputings haben die Behauptung eines Rechenvorteils für Quantencomputer weiter untermauert, und die neusten Entwicklungen bei mehreren Plattformen wie supraleitenden Qubits, Ionenfallen, optischen Systemen und neutralen Atomen wecken Hoffnung, dass Quantencomputer in großem Maßstab realisierbar sind. In der Zwischenzeit haben Spin-Qubits in Halbleitern Fehlerraten für alle Aspekte ihres Betriebs jenseits der Fehlerkorrekturschwelle erreicht und stehen nun vor der Herausforderung, auf größere Systemgrößen zu skalieren und dabei ihren "Halbleiterskalierungsvorteil" auszuspielen. In diesem Sinne sind mehrere Ideen für Architekturen entstanden, die die Qubits mit lokaler Steuerelektronik integrieren, um eine QPU mit hoher Verbindungsdichte zwischen Qubits und Signalgenerierung zu schaffen und gleichzeitig eine geringe Anzahl von Verbindungen in und aus dem Kryostaten zu ermöglichen. In dieser Arbeit demonstriere ich mehrere Schritte auf dem Weg zu dieser Vision: Die Erzeugung von DC-Spannungen und die Ausleseverstärkung. Ich zeige, dass der Betrieb herkömmlicher CMOS-Elektronik bei mK-Temperaturen auf der Mischkammer möglich ist, und verwende einen speziell entworfenen Ultra-Low-Power-DAC, um Spannungen für die Elektroden eines GaAs-Qubit-Chips zu erzeugen. Wir erreiche eine IC-Leistungsaufnahme von etwa 30 µW, wovon etwa 13 µW auf den DAC entfallen, während wir 8 Ausgangsspannungen mit einer Aktualisierungsrate von etwa 4 kHz erzeugen. Bei der Speicherung der Spannung auf Sample-and-Hold-Kondensatoren auf dieser Zeitskala kein Spannungsverlust durch Leckströme zu beobachten. Der Spannungsverlust ergibt sich zu 125 µV/s, was deutlich unter den Werten bei Raumtemperatur liegt und durch die Schottky-Kontakte auf dem Qubit-Chip begrenzt ist. Nichtsdestotrotz unterstreicht dies, dass zweckgebundene IC-Designs für extrem niedrige Temperaturen ein wertvolles Werkzeug sind, um skalierbare Steuerelektronik mit extrem niedrigem Stromverbrauch zu erreichen. Es ist uns gelungen, die Temperatur des Qubits und des ICs unter 1 K zu halten, was maßgeblich durch Temperaturgradienten an Materialübergängen im Kryostaten limitiert ist. Dennoch können wir einen SET nur mit Spannungen formen, die vom CryoDAC erzeugt werden. Extrapoliert ist die Erzeugung von Bias-Spannungen mit einer Leistungsaufnahme von ~4 nW/ch machbar. Dies ebnet den Weg für die integrierte Erzeugung von bis zu 10^7 Spannungen innerhalb des Kühlleistungsbudgets, das in einem für integrierte Steuerelektronik optimierten Kryostaten verfügbar ist. In einem zweiten Schritt zur Integration von Auslesen und Steuerung untersuchen wir HBTs als kryogene Verstärker in direkter Nähe zu einem Qubit-Chip. Indem wir den Transistor nicht an seinem nominalen Arbeitspunkt, sondern nahe der Sättigung betreiben, können wir die Verstärkung und die Transkonduktion, 200 und gm = 0.1 mS @ Ib = 2 nA, erreichen, während wir die Leistungsaufnahme um einen Faktor 8 senken. Wir untersuchen Arbeitspunkte für diese Transistoren und ihr Rauschverhalten, wobei wir 1/f-Rauschen bis zum Hintergrund unseres Messaufbaus nachweisen. Insgesamt demonstrieren wir funktionales Verstärkerverhalten bei einer Leistungsaufnahme von nur 50 nW und ebnen damit den Weg für eine integrierte, qubitnahe Ausleseverstärkung für große Qubitzahlen. Um die Nützlichkeit für den Qubit-Betrieb zu unterstreichen, zeigen wir auch die Ladungsdetektion und die schnelle Aufzeichnung von Ladungsstabilitätsdiagrammen unter Verwendung eines durch den HBT-verstärkten Ladungssensors. Ergänzend zu diesen Fortschritten fasse ich die automatischen Tuningmethoden zusammen, die wir über mehrere Experimente, Kryostate und Cooldowns hinweg entwickelt haben. Ich zeige, dass wir in der Lage sind, Geräte mit relativ einfachen Methoden und verschiedenen Ausleseverstärkungstechniken automatisch und zuverlässig auf den Ein-Elektronen-Bereich zu tunen. Wir verwenden die so erzeugten Daten, um ein CNN zu trainieren, das CSD automatisch nach der Anzahl der beobachteten Quantenpunkte mit einer Genauigkeit von 94% klassifiziert, was in Zukunft anspruchsvollere automatische Tuningalgorithmen ermöglicht. Ich ergänze die oben genannten Ergebnisse, indem ich den Stand der Technik in den Bereichen Flip-Chip-Bonding und 3D-Integrationstechnologien zusammenfasse und die lokal verfügbaren Prozesse in diesen Kontext einordne. Insgesamt liefert meine Arbeit Fortschritte, zeigt Wege für die Zukunft auf und gibt Orientierung zu vielen ergänzenden Aspekten der Skalierung von Quantencomputersystemen zur die für vollständig fehlerkorrigierte Systeme erforderliche Qubitzahl. Dazu gehören Signalerzeugung und -steuerung, Auslesung und kryogene Verstärkung, automatisches Tuning und Kalibrierung, sowie heterogene Integration und Kryostatdesign. Auf diese Weise untermauere ich den Traum von einem nützlichen Quantencomputersystem in der (gar nicht so fernen) Zukunft.

Einrichtungen

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