Development of device design, processing, and instrumentation for scaleable universal quantum computation in silicon germanium heterostructures

Leonhardt, Tim; Bluhm, Jörg; Schäpers, Thomas

doi:HT031043925

Development of device design, processing, and instrumentation for scaleable universal quantum computation in silicon germanium heterostructures

Leonhardt, Tim^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tim Leonhardt, M. Sc. M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Bluhm, Jörg (Thesis advisor)^RWTH* ; Schäpers, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-02-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-00668
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1002761/files/1002761.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
EDSR (frei) ; quantum computing (frei) ; quantum information (frei) ; silicon (frei) ; silicon-germanium (frei) ; spin qubits (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In dieser Arbeit wird ein Messaufbau entworfen und optimiert für Elzerman Auslese- und Silizium Spin-Qubit-Experimente. Weiterentwicklungen der vorhandenen Verstärker, Impedanzanpassung sowie das Design und Konzept einer Interposer-PCB-Integrationsplattform ergeben einen rauscharmen Aufbau mit hoher Bandbreite, der nach ersten Charakterisierungen für Experimente zur universellen Steuerung in Silizium-Quantenpunkten genügt. Es werden die verbleibenden dominanten Rauschbeiträge identifiziert. Für die kritische Thermalisierung zur Single Spin-Qubit-Auslese haben wir Tieftemperaturfilter für bis zu 192 DC-Leitungen entwickelt, produziert und Limitierungen aufgewiesen. Diese sind mit weniger skalierbaren PCB-Lösungen vergleichbar und für die Elzerman-Auslese bei unter 1,5 T geeignet. Die Verbesserung der Elektronenstrahllithographiefertigung ermöglichten den kleinste veröffentlichten Gate-Abstand für einlagige Quantenpunkte. Für Funktionstests wurden Setup- und Tuning-Protokolle überarbeitet. Das niederfrequente Rauschen innerhalb der 10 kHz Messbandbreite für undotierte MBE-Strukturen ist in unserer Probe deutlich geringer als in zuvor berichteten CVD-Proben. Um den Einfluss von Unordnung zu quantifizieren, habe ich eine Triangulationsmethode eingeführt und verbessert, um die Quantenpunktverschiebung und die jeweilige elektrische Feldstärke aufgrund von Störladungen zu ermitteln und Abschätzungen zur Stöhrstellenposition zu geben. Diese sind im Einklang mit Schätzungen aus anderen Veröffentlichungen. Diese Experimente zeigen, dass die MBE-gezüchteten Si/SiGe-Undotierten Heterostrukturen, die Probenherstellung und der Messaufbau für Silizium-Einzelspin-Experimente geeignet sind und geben eine Richtung zur weiteren Verbesserung der Zuverlässigkeit, Durchstimmbarkeit und Gatter-Genauigkeit von lateral definierten Qubits in undotierten Silizium-Heterostrukturen.

In this thesis, a measurement and control setup for Elzerman readout and silicon spin qubit experiments, like T1 measurements, is designed and optimized. Developments in amplifier choice and testing, impedance matching, and thedesign and concept of an interposer-PCB integration platform result in a low noise, high-bandwidth setup which, after first characterizations, is sufficient for experiments on universal control in silicon quantum dots. Remaining dominant contributions are identified. For critical thermalization with single-spin qubit readout, we have designed and produced multiple cryogenic filters for up to 192 DC lines with transmission characteristics comparable to less scalable PCB solutions. The identified and resolved limitations allow for Elzerman readout at below 1.5 T. Developments in electron beam fabrication enable the smallest gate pitch reported for gate-confined single-layer quantum dots. Asetup and tuning protocol is revised to identify dis-functional samples early in the tuning process. The low-frequency noise within the 10-kHz measurement bandwidth for undoped MBE structures is significantly lower in our sample than in previously reported CVD samples. A triangulation method has been developed and improved to quantify the influence of the displacement, the respective electric field strength due to disorder charges and subsequently define limits on defect localization in the sample stack. These are consistent with estimates from other work. These experiments show that the MBE-grown heterostructures, sample fabrication, and measurement setup are suitable for silicon single-spin experiments and provide a direction to further improve reliability, tunability, and fidelity of laterally defined qubits in undoped silicon heterostructures.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)