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; Bougeard, Dominique

doi:41080

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

Kammerloher, Eugen^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Eugen Kammerloher, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Bluhm, Jörg (Thesis advisor)^RWTH* ; Bougeard, Dominique (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-02-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-01567
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/841219/files/841219.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
asymmetry (frei) ; baseband (frei) ; charge sensor (frei) ; qubit readout (frei) ; readout (frei) ; spin qubit (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

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.

To facilitate scaleable quantum systems beyond the NISQ era, it is imperative to minimize the heat load of a qubit readout operation and provide a well scaleable readout periphery. Baseband readout, using transistor circuits in close proximity to the qubit, is a promising candidate for a well scaleable and low power consumption approach to this challenge. The sensing dot is currently the most sensitive sensor for readout in solid state spin qubits. However, in conventional sensing dots, the output swing is limited by negative feedback of a reservoir capacitance, which can capacitively shunt the charge signal. In this thesis, we theoretically develop and experimentally demonstrate a proximal charge sensor, termed ASD, that remedies this effect. In the ASD the source and drain reservoirs are arranged asymmetrically, so that the relevant reservoir capacitance is greatly reduced. We perform electrostatic simulations, in the context of electrostatically defined quantum dots in heterostructures and evaluate several gate layouts, with the goal to establish an ASD demonstrator layout. Since the ASD requires complex gate electrode shapes, we develop a software package, termed comsolkit, to aid in the gate layout creation process. We find a well tunable gate layout and estimate the drain capacitance reduction to be nearly 40 times, compared to a conventional sensing dot, when neglecting disorder or broadening effects. We perform measurements on several ASD samples, that validate the ASD concept, by reducing the drain capacitance by a factor of $13\pm 1$ at a bias of $V_{SD}\geq 4.5\,\text{mV}$. We also demonstrate successful charge readout of a nearby qubit-like double dot, using the current biased ASD, achieving a $(3.0\pm 0.2)\,\text{mV}$ voltage swing, in distinguishing the two relevant charge states, which substantially improves the response compared to conventional sensing dots. We perform simulations to estimate the benefits of the ASD in a baseband readout configuration, for different transistor technologies and implementation scenarios.The ASD achieves sensitivities of $4\,\mu e/\sqrt{\text{Hz}}$ at MHz bandwidths, for a high integration scenario and realistic transistor parameters, extracted from cold transistor characterization measurements, when excluding $1/f$ transistor noise, which is comparable to highly sensitive superconducting RF-SETs. Including a conservative FET $1/f$ noise model, the ASD achieves $82\,\mu e/\sqrt{\text{Hz}}$, which is competitive with RF-SET readout.

OpenAccess:
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