論文の概要: Single-shot readout of multiple donor electron spins with a gate-based sensor

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2203.09248v1
• Date: Thu, 17 Mar 2022 11:17:58 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-02-21 21:03:18.851326
• Title: Single-shot readout of multiple donor electron spins with a gate-based sensor
• Title（参考訳）: ゲート型センサによる複数のドナー電子スピンの単発読み出し
• Authors: Mark R. Hogg, Prasanna Pakkiam, Samuel K. Gorman, Andrey V. Timofeev, Yousun Chung, Gurpreet K. Gulati, Matthew G. House and Michelle Y. Simmons
• Abstract要約: ナノスケールの単一リード量子ドット(SLQD)センサはコンパクトで、複数の量子ビットを読み取ることができる。 我々は、最大95%の忠実度を持つ3つの31ドルのドナー量子ドット電子スピンの単発読み出しを実演した。 本研究は, センサ密度を著しく低減したスピン量子デバイスの可能性を明らかにするものである。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Proposals for large-scale semiconductor spin-based quantum computers require high-fidelity single-shot qubit readout to perform error correction and read out qubit registers at the end of a computation. However, as devices scale to larger qubit numbers integrating readout sensors into densely packed qubit chips is a critical challenge. Two promising approaches are minimising the footprint of the sensors, and extending the range of each sensor to read more qubits. Here we show high-fidelity single-shot electron spin readout using a nanoscale single-lead quantum dot (SLQD) sensor that is both compact and capable of reading multiple qubits. Our gate-based SLQD sensor is deployed in an all-epitaxial silicon donor spin qubit device, and we demonstrate single-shot readout of three $^{31}$P donor quantum dot electron spins with a maximum fidelity of 95%. Importantly in our device the quantum dot confinement potentials are provided inherently by the donors, removing the need for additional metallic confinement gates and resulting in strong capacitive interactions between sensor and donor quantum dots. We observe a $1/d^{1.4}$ scaling of the capacitive coupling between sensor and $^{31}$P dots (where $d$ is the sensor-dot distance), compared to $1/d^{2.5-3.0}$ in gate-defined quantum dot devices. Due to the small qubit size and strong capacitive interactions in all-epitaxial donor devices, we estimate a single sensor can achieve single-shot readout of approximately 15 qubits in a linear array, compared to 3-4 qubits for a similar sensor in a gate-defined quantum dot device. Our results highlight the potential for spin qubit devices with significantly reduced sensor densities.
• Abstract（参考訳）: 大規模半導体スピンベースの量子コンピュータの提案は、誤り訂正と計算終了時のキュービットレジスタの読み出しを行うために、高忠実なシングルショットキュービット読み出しを必要とする。 しかし、デバイスがより大きな量子ビット数にスケールするにつれて、読み出しセンサーを密に詰め込んだ量子ビットチップに組み込むことは重要な課題である。 2つの有望なアプローチは、センサーのフットプリントを最小化し、各センサーの範囲を広げてより多くの量子ビットを読み取ることである。 ここでは,ナノスケール単一リード量子ドット(SLQD)センサを用いて,複数量子ビットの読み出しが可能な高忠実な単一ショット電子スピンの読み出しを示す。 ゲートベースのslqdセンサは、全エピタキシャルシリコンドナースピン量子ビットデバイスに展開され、最大95%の忠実度で3つの$^{31}$pドナー量子ドット電子スピンの単発読み出しを実証する。 私たちのデバイスでは、量子ドット閉じ込め電位はドナーによって本質的に提供され、追加の金属閉じ込めゲートの必要性を排除し、センサとドナー量子ドット間の強い容量的相互作用をもたらす。 1/d^{1.4}$ センサーと$^{31}$pドットの容量結合のスケーリング(ここでは$d$はセンサー-ドット距離)を観察し、ゲートで定義された量子ドットデバイスでは$/d^{2.5-3.0}$ と比較した。 全エピタキシャルドナー装置における小型の量子ビットサイズと強い静電容量相互作用により、ゲート定義量子ドット装置における類似センサの3〜4キュービットに対して、線形配列で約15キュービットの単発読み出しが可能であると推定した。 センサ密度を大幅に低減したスピン量子ビットデバイスの可能性に注目した。

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