Jellybean Quantum Dots in Silicon for Qubit Coupling and On-Chip Quantum Chemistry.
quantum computation
quantum devices
quantum dots
silicon nanostructures
spin qubits
Journal
Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.)
ISSN: 1521-4095
Titre abrégé: Adv Mater
Pays: Germany
ID NLM: 9885358
Informations de publication
Date de publication:
May 2023
May 2023
Historique:
revised:
13
01
2023
received:
18
09
2022
medline:
23
2
2023
pubmed:
23
2
2023
entrez:
22
2
2023
Statut:
ppublish
Résumé
The small size and excellent integrability of silicon metal-oxide-semiconductor (SiMOS) quantum dot spin qubits make them an attractive system for mass-manufacturable, scaled-up quantum processors. Furthermore, classical control electronics can be integrated on-chip, in-between the qubits, if an architecture with sparse arrays of qubits is chosen. In such an architecture qubits are either transported across the chip via shuttling or coupled via mediating quantum systems over short-to-intermediate distances. This paper investigates the charge and spin characteristics of an elongated quantum dot-a so-called jellybean quantum dot-for the prospects of acting as a qubit-qubit coupler. Charge transport, charge sensing, and magneto-spectroscopy measurements are performed on a SiMOS quantum dot device at mK temperature and compared to Hartree-Fock multi-electron simulations. At low electron occupancies where disorder effects and strong electron-electron interaction dominate over the electrostatic confinement potential, the data reveals the formation of three coupled dots, akin to a tunable, artificial molecule. One dot is formed centrally under the gate and two are formed at the edges. At high electron occupancies, these dots merge into one large dot with well-defined spin states, verifying that jellybean dots have the potential to be used as qubit couplers in future quantum computing architectures.
Identifiants
pubmed: 36805699
doi: 10.1002/adma.202208557
doi:
Types de publication
Journal Article
Langues
eng
Sous-ensembles de citation
IM
Pagination
e2208557Subventions
Organisme : Australian Research Council
ID : CE170100012
Organisme : Australian Research Council
ID : FL190100167
Organisme : Australian Research Council
ID : LE160100069
Organisme : Army Research Office
ID : W911NF-17-1-0198
Informations de copyright
© 2023 The Authors. Advanced Materials published by Wiley-VCH GmbH.
Références
D. P. DiVincenzo, Fortschr. Phys. 2000, 48, 771.
X. Zhang, H.-O. Li, K. Wang, G. Cao, M. Xiao, G.-P. Guo, Chin. Phys. B 2018, 27, 020305.
A. Laucht, F. Hohls, N. Ubbelohde, M. F. Gonzalez-Zalba, D. J. Reilly, S. Stobbe, T. Schröder, P. Scarlino, J. V. Koski, A. Dzurak, C.-H. Yang, J. Yoneda, F. Kuemmeth, H. Bluhm, J. Pla, C. Hill, J. Salfi, A. Oiwa, J. T. Muhonen, E. Verhagen, M. D. LaHaye, H. H. Kim, A. W. Tsen, D. Culcer, A. Geresdi, J. A. Mol, V. Mohan, P. K. Jain, J. Baugh, Nanotechnology 2021, 32, 162003.
A. Chatterjee, P. Stevenson, S. De Franceschi, A. Morello, N. P. de Leon, F. Kuemmeth, Nat. Rev. Phys. 2021, 3, 157.
J. C. Norman, D. Jung, Y. Wan, J. E. Bowers, APL Photonics 2018, 3, 030901.
J. Wang, F. Sciarrino, A. Laing, M. G. Thompson, Nat. Photonics 2020, 14, 273.
M. F. Gonzalez-Zalba, S. de Franceschi, E. Charbon, T. Meunier, M. Vinet, A. S. Dzurak, Nat. Electron. 2021, 4, 872.
K. M. Itoh, H. Watanabe, MRS Commun. 2014, 4, 143.
A. Saraiva, W. H. Lim, C. H. Yang, C. C. Escott, A. Laucht, A. S. Dzurak, Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2105488.
J. T. Muhonen, J. P. Dehollain, A. Laucht, F. E. Hudson, R. Kalra, T. Sekiguchi, K. M. Itoh, D. N. Jamieson, J. C. McCallum, A. S. Dzurak, A. Morello, Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 986.
M. Veldhorst, J. C. C. Hwang, C. H. Yang, A. W. Leenstra, B. de Ronde, J. P. Dehollain, J. T. Muhonen, F. E. Hudson, K. M. Itoh, A. Morello, A. S. Dzurak, Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 981.
K. Takeda, J. Kamioka, T. Otsuka, J. Yoneda, T. Nakajima, M. R. Delbecq, S. Amaha, G. Allison, T. Kodera, S. Oda, S. Tarucha, Sci. Adv. 2016, 2, e1600694.
J. Yoneda, K. Takeda, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, G. Allison, T. Honda, T. Kodera, S. Oda, Y. Hoshi, N. Usami, K. M. Itoh, S. Tarucha, Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 102.
W. Huang, C. H. Yang, K. W. Chan, T. Tanttu, B. Hensen, R. C. C. Leon, M. A. Fogarty, J. C. C. Hwang, F. E. Hudson, K. M. Itoh, A. Morello, A. Laucht, A. S. Dzurak, Nature 2019, 569, 532.
X. Xue, T. F. Watson, J. Helsen, D. R. Ward, D. E. Savage, M. G. Lagally, S. N. Coppersmith, M. A. Eriksson, S. Wehner, L. M. K. Vandersypen, Phys. Rev. X 2019, 9, 021011.
M. T. Mądzik, S. Asaad, A. Youssry, B. Joecker, K. M. Rudinger, E. Nielsen, K. C. Young, T. J. Proctor, A. D. Baczewski, A. Laucht, V. Schmitt, F. E. Hudson, K. M. Itoh, A. M. Jakob, B. C. Johnson, D. N. Jamieson, A. S. Dzurak, C. Ferrie, R. Blume-Kohout, A. Morello, Nature 2022, 601, 348.
X. Xue, M. Russ, N. Samkharadze, B. Undseth, A. Sammak, G. Scappucci, L. M. K. Vandersypen, Nature 2022, 601, 343.
A. Noiri, K. Takeda, T. Nakajima, T. Kobayashi, A. Sammak, G. Scappucci, S. Tarucha, Nature 2022, 601, 338.
A. R. Mills, C. R. Guinn, M. M. Feldman, A. J. Sigillito, M. J. Gullans, M. Rakher, J. Kerckhoff, C. A. C. Jackson, J. R. Petta, High fidelity state preparation, quantum control, and readout of an isotopically enriched silicon spin qubit, arXiv:2204.09551 2022.
S. Mehl, H. Bluhm, D. P. DiVincenzo, Phys. Rev. B 2014, 90, 045404.
V. Srinivasa, H. Xu, J. M. Taylor, Phys. Rev. Lett. 2015, 114, 226803.
P. Stano, J. Klinovaja, F. R. Braakman, L. M. K. Vandersypen, D. Loss, Phys. Rev. B 2015, 92, 075302.
F. A. Mohiyaddin, R. Kalra, A. Laucht, R. Rahman, G. Klimeck, A. Morello, Phys. Rev. B 2016, 94, 045314.
L. M. K. Vandersypen, H. Bluhm, J. S. Clarke, A. S. Dzurak, R. Ishihara, A. Morello, D. J. Reilly, L. R. Schreiber, M. Veldhorst, npj Quantum Inf. 2017, 3, 34.
T. A. Baart, M. Shafiei, T. Fujita, C. Reichl, W. Wegscheider, L. M. K. Vandersypen, Nat. Nanotechnol. 2016, 11, 330.
T. Fujita, T. A. Baart, C. Reichl, W. Wegscheider, L. M. K. Vandersypen, npj Quantum Inf. 2017, 3, 22.
F. Fedele, A. Chatterjee, S. Fallahi, G. C. Gardner, M. J. Manfra, F. Kuemmeth, PRX Quantum 2021, 2, 040306.
A. Sigillito, J. Loy, D. Zajac, M. Gullans, L. Edge, J. Petta, Phys. Rev. Appl. 2019, 11, 061006.
J. Yoneda, W. Huang, M. Feng, C. H. Yang, K. W. Chan, T. Tanttu, W. Gilbert, R. C. C. Leon, F. E. Hudson, K. M. Itoh, A. Morello, S. D. Bartlett, A. Laucht, A. Saraiva, A. S. Dzurak, Nat. Commun. 2021, 12, 4114.
A. Noiri, K. Takeda, T. Nakajima, T. Kobayashi, A. Sammak, G. Scappucci, S. Tarucha, A shuttling-based two-qubit logic gate for linking distant silicon quantum processors, arXiv:2202.01357 2022.
X. Croot, S. Pauka, J. Watson, G. Gardner, S. Fallahi, M. Manfra, D. Reilly, Phys. Rev. Appl. 2018, 10, 044058.
F. K. Malinowski, F. Martins, T. B. Smith, S. D. Bartlett, A. C. Doherty, P. D. Nissen, S. Fallahi, G. C. Gardner, M. J. Manfra, C. M. Marcus, F. Kuemmeth, Phys. Rev. X 2018, 8, 011045.
F. K. Malinowski, F. Martins, T. B. Smith, S. D. Bartlett, A. C. Doherty, P. D. Nissen, S. Fallahi, G. C. Gardner, M. J. Manfra, C. M. Marcus, F. Kuemmeth, Nat. Commun. 2019, 10, 1196.
S. M. Patomäki, J. Williams, F. Berritta, C. Laine, M. A. Fogarty, R. C. C. Leon, J. Jussot, S. Kubicek, A. Chatterjee, B. Govoreanu, F. Kuemmeth, J. J. L. Morton, M. F. Gonzalez-Zalba, arXiv:2301.01650 2023.
C. Yannouleas, U. Landman, Phys. Rev. Lett. 1999, 82, 5325.
F. Cavaliere, U. D. Giovannini, M. Sassetti, B. Kramer, New J. Phys. 2009, 11, 123004.
J. Corrigan, J. P. Dodson, H. E. Ercan, J. C. Abadillo-Uriel, B. Thorgrimsson, T. J. Knapp, N. Holman, T. McJunkin, S. F. Neyens, E. R. MacQuarrie, R. H. Foote, L. F. Edge, M. Friesen, S. N. Coppersmith, M. A. Eriksson, Phys. Rev. Lett. 2021, 127, 127701.
J. C. Abadillo-Uriel, B. Martinez, M. Filippone, Y.-M. Niquet, Phys. Rev. B 2021, 104, 195305.
C. Yannouleas, U. Landman, Phys. Rev. B 2022, 105, 205302.
C. Yannouleas, U. Landman, J. Phys.: Condens. Matter 2022, 34, 21LT01.
W. Jang, J. Kim, J. Park, G. Kim, M.-K. Cho, H. Jang, S. Sim, B. Kang, H. Jung, V. Umansky, D. Kim, Wigner-molecularization-enabled dynamic nuclear field programming, arXiv:2207.11655 2022.
A. H. Zewail, J. Phys. Chem. A 2000, 104, 5660.
V. Balzani, Pure Appl. Chem. 1990, 62, 1099.
C.-Y. Liu, H.-F. Wang, Z.-G. Ren, P. Braunstein, J.-P. Lang, Inorg. Chem. 2019, 58, 8533.
G.-J. Zhao, K.-L. Han, ChemPhysChem 2008, 9, 1842.
A. M. Appel, J. E. Bercaw, A. B. Bocarsly, H. Dobbek, D. L. DuBois, M. Dupuis, J. G. Ferry, E. Fujita, R. Hille, P. J. A. Kenis, C. A. Kerfeld, R. H. Morris, C. H. F. Peden, A. R. Portis, S. W. Ragsdale, T. B. Rauchfuss, J. N. H. Reek, L. C. Seefeldt, R. K. Thauer, G. L. Waldrop, Chem. Rev. 2013, 113, 6621.
J. Fanfrlík, M. Kolář, M. Kamlar, D. Hurný, F. X. Ruiz, A. Cousido-Siah, A. Mitschler, J. Řezáč, E. Munusamy, M. Lepšík, P. Matějíček, J. Veselý, A. Podjarny, P. Hobza, ACS Chem. Biol. 2013, 8, 2484.
M. Kiczynski, S. K. Gorman, H. Geng, M. B. Donnelly, Y. Chung, Y. He, J. G. Keizer, M. Y. Simmons, Nature 2022, 606, 694.
R. Zhao, T. Tanttu, K. Y. Tan, B. Hensen, K. W. Chan, J. C. C. Hwang, R. C. C. Leon, C. H. Yang, W. Gilbert, F. E. Hudson, K. M. Itoh, A. A. Kiselev, T. D. Ladd, A. Morello, A. Laucht, A. S. Dzurak, Nat. Commun. 2019, 10, 5500.
F. A. Mohiyaddin, R. Rahman, R. Kalra, G. Klimeck, L. C. L. Hollenberg, J. J. Pla, A. S. Dzurak, A. Morello, Nano Lett. 2013, 13, 1903.
E. Vahapoglu, J. P. Slack-Smith, R. C. C. Leon, W. H. Lim, F. E. Hudson, T. Day, J. D. Cifuentes, T. Tanttu, C. H. Yang, A. Saraiva, N. V. Abrosimov, H.-J. Pohl, M. L. W. Thewalt, A. Laucht, A. S. Dzurak, J. J. Pla, Coherent control of electron spin qubits in silicon using a global field, arXiv:2107.14622 2021.
Unfortunately, the gate stack used in this device (palladium gate electrodes with atomic-layer deposited aluminum oxide) results in much higher charge noise than the previously used aluminum gate stack,[51] and renders this measurement noisier than previous measurements.
R. C. C. Leon, C. H. Yang, J. C. C. Hwang, J. C. Lemyre, T. Tanttu, W. Huang, K. W. Chan, K. Y. Tan, F. E. Hudson, K. M. Itoh, A. Morello, A. Laucht, M. Pioro-Ladrière, A. Saraiva, A. S. Dzurak, Nat. Commun. 2020, 11, 797.
C. R. Anderson, M. F. Gyure, S. Quinn, A. Pan, R. S. Ross, A. A. Kiselev, AIP Adv. 2022, 12, 065123.
H. E. Ercan, S. N. Coppersmith, M. Friesen, Phys. Rev. B 2021, 104, 235302.
G. W. Pratt, Phys. Rev. 1956, 102, 1303.
J. D. Cifuentes, J. Y. Huang, T. Tanttu, W. Gilbert, E. Vahapoglu, S. Serrano, R. C. C. Leon, D. Dunmore, P. Y. Mai, F. Schlattner, D. Otter, M. Feng, A. Laucht, C. H. Yang, K. Itoh, M. Thewalt, C. C. Escott, W. H. Lim, F. E. Hudson, R. Rahman, A. Saraiva, A. S. Dzurak, Variability of CMOS electron spin qubits, 2023.
C. H. Yang, W. H. Lim, F. A. Zwanenburg, A. S. Dzurak, AIP Adv. 2011, 1, 042111.
W. Kindt, H. Van Zeijl, IEEE Trans. Nucl. Sci. 1998, 45, 715.
N. D. Botkin, V. L. Turova, Appl. Math. Modell. 2004, 28, 573.