Towards semiconductor-superconductor hybrid quantum circuits : Gatemon and Andreev qubits based on InAs/Al, InAs/Nb and GaAs/InSb core/shell nanowires

Zellekens, Patrick; Schäpers, Thomas; Morgenstern, Markus

doi:HT030333282

Towards semiconductor-superconductor hybrid quantum circuits : Gatemon and Andreev qubits based on InAs/Al, InAs/Nb and GaAs/InSb core/shell nanowires

Zellekens, Patrick^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Patrick Zellekens

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schäpers, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Morgenstern, Markus (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-11-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-07601
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/962752/files/962752.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Josephson junctions (frei) ; microwave resonators (frei) ; qubits (frei) ; semiconductor nanowire (frei) ; superconductivity (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Innerhalb dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Quanten-Bit-Strukturen [Qubit] untersucht. Das sogenannte Gatemon stellt dabei eine Alternative zu dem bereits im industriellen Einsatz befindlichen Transmon dar. Beide Systeme basieren auf der kollektiven Anregung eines anharmonischen LC-Oszillators, welcher sich aus einem supraleitenden Kondensator und einem Josephsonkontakt zusammensetzt. Der Vorteil liegt hier auf der robusten Kohärenz des makroskopischen Quantensystems. Letzteres geht dabei jedoch einher mit der Präsenz höherer Energiezustände, die eine Operation des Bauteils nur für bestimmte Konfigurationen, ausgedrückt durch die sogenannte Anharmonizität, erlauben. Im Gegensatz dazu positioniert sich das Andreev-Qubit, welches auf Zwei-Quasiteilchen-Übergangen zwischen mikroskopischen, räumlich lokalisierten Quantenzuständen, sogenannten Andreev-Zuständen, basiert. Beide Qubit-Typen können mithilfe von Halbleiter-Nanodrähten hergestellt werden. Deswegen beschäftigte sich der Hauptteil dieser Arbeit mit der Prozessierung, Tieftemperatur- und Hochfrequenz-Charakterisierung, sowie der Optimierung von Josephsonkontakten auf Basis von Supraleiter-Halblei-ter-Hybridstrukturen. Ein spezieller Fokus lag hier auf der DC- und AC-Vermessung von epitaktisch gewachsenen InAs-Nanodrähten, die unter Ultrahochvakuum und in situ-Bedingungen mit einer dünnen supraleitenden Schicht aus Aluminium oder Niob bedeckt wurden. Die verwendeten Messmethoden umfassten die Durchführung von Emissions- und Shapiromessungen zur Analyse der Strom-Phasen-Beziehung, die Untersuchung des Bauteilverhaltens in schwachen und starken Magnetfeldern, sowie das Tunnelspektroskopie-gestützte Auslesen der induzierten Energielücke, der Grenzflächentransparenz, der Ladungsträgerkonzentration und der Phasenkohärenzlänge. Ein besonderer Schwerpunkt wurde zusätzlich auf die Suche von 4-π-periodischen Anteilen im Suprastrom gelegt, welche als Signatur für die potentielle Existenz von topologisch geschützten Zuständen gelten. Als Plattform dienten hier InAs-Drähte, welche vollständig mit einer supraleitenden Aluminiumhülle umgeben sind. Der in diesen Systemen auftretende Little-Parks-Effekt kann, wie kürzlich stattgefundene theoretische Untersuchungen nahelegen, als Basis für die Erzeugung und Manipulation von Majorana-Fermionen dienen, welche derzeit als erfolgsversprechendster Ansatz für die Realisierung eines topologischen Quantencomputers gelten. Den Abschluss der Arbeit bildet die Untersuchung der im Vorfeld erwähnten Gatemon- und Andreev-Qubit-Strukturen. Im Falle der Letztgenannten konnte erfolgreich den Übergang zwischen zwei Andreev-Zuständen mit einer durchschnittlichen Lebensdauer von 25ns beobachtet werden. Mithilfe von magnetfeld- und gate-gestützter Zwei-Ton-Spektroskopie war es zusätzlich möglich, Nachweise für die Existenz von Ein-Quasipartikel-Übergängen zwischen spinpolarisierten Andreev-Zuständen zu beobachten. Letzteres lässt sich dabei auf die starke Spin-Bahn-Wechselwirkung innerhalb der InAs-Halbleiterstruktur zurückführen und gilt als Vorstufe für die Erzeugung einer helikalen Energie-lücke. Im Falle der zweidimensionalen, nanodraht-basierten Gatemon-Strukturen konnte erfolgreich der Nachweis für eine gatesteuerbare Kopplungsstärke zwischen Qubit und Mikrowellenresonator erbracht werden. Eine zusätzlich stattgefundene Analyse des Systems auf Basis von Rabi-Oszillationen zeigte durchschnittliche Lebensdauern des Zwei-Zustand-Systems von T1 ≈ 120ns.

In this thesis, two different qubit concepts and their respective pre-stages are investigated. The Gatemon is a variant of the famous and well-studied Transmon. Both have in common that they rely onthe macroscopic and collective excitation of an anharmonic LC circuit and are a very promising approach to realize scalable qubit systems. The Andreev qubit, on the other hand, is based on a singlepair of Andreev bound states and the two-particle transitions associated with it. Both mentioned systems have in common that they can be realized by means of semiconductor nanowires. Thus, the major part of this thesis is devoted to the characterization and subsequent optimization of nanowire-based devices treated with (high frequency) electromagnetic fields at ultralow and ambient temperatures. Using InAs/super-conductor core/shell nanowires that have been in-situ and epitaxially covered with a thin metal layer out of Al, Nb or other materials, mesoscopic Josephson junctions are fabricated and subsequently investigated by means of advanced experimental DC and AC techniques. On the low frequency and DC side, we utilize emission, SQUID, magnetoconductance and quantum dot measurements to characterize the electronic properties of the fabricated devices including the hardness of the induced proximity gap, the interface transparency, the carrier concentration and the phase coherence length. In addition, we search for signatures of 4π-periodic supercurrent contributions. Here, a special focus is set on InAs/Al full shell nanowires that, following theoretical predictions, can host pairs of Majorana fermions and, in combination with the Little-Parks effect, do not require a complicated braiding procedure to manipulate the state of the system. The last part of the thesis is focused on flux- and gate-dependent measurements of Andreev qubits as well as the investigation of individual Andreev bound states by means of two-tone spectroscopy. The latter one reveals an unconventional state structure that is connected to the occurrence of single quasiparticle transitions caused by a Rashba-induced lifting of the spin degeneracy. This is one of the prerequisites for the realization of a helical gap and topologically-protected states. In addition, a nanowire-based 2D Gatemon was successfully realized. The analysis of the detuning-dependent Rabi oscillations exhibit a gate-tunable resonator-qubit coupling and reasonable large lifetimes of the two-level system T1 ≈ 120ns.

OpenAccess:
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