論文の概要: Improved placement precision of implanted donor spin qubits in silicon using molecule ions

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2308.04117v1
• Date: Tue, 8 Aug 2023 08:13:55 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-08-09 13:34:30.314214
• Title: Improved placement precision of implanted donor spin qubits in silicon using molecule ions
• Title（参考訳）: 分子イオンを用いたシリコン中のドナースピン量子ビットの配置精度の向上
• Authors: Danielle Holmes (1), Benjamin Wilhelm (1), Alexander M. Jakob (2), Xi Yu (1), Fay E. Hudson (1,3), Kohei M. Itoh (4), Andrew S. Dzurak (1,3), David N. Jamieson (2), Andrea Morello (1) ((1) CQC2T, School of Electrical Engineering and Telecommunications, UNSW Sydney, Australia, (2) CQC2T, School of Physics, The University of Melbourne, Australia, (3) Diraq, Sydney, Australia, (4) School of Fundamental Science and Technology, Keio University, Japan)
• Abstract要約: 本研究では, 単一原子の代わりに分子イオンを注入することにより, 製造法の精度を高めることができることを示す。 分子イオンは、長寿命ドナースピン量子ビットの高精度な決定論的に実装された配列を生成するのに非常に有望である。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 35.74051757910664
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Donor spins in silicon-28 ($^{28}$Si) are among the most performant qubits in the solid state, offering record coherence times and gate fidelities above 99%. Donor spin qubits can be fabricated using the semiconductor-industry compatible method of deterministic ion implantation. Here we show that the precision of this fabrication method can be boosted by implanting molecule ions instead of single atoms. The bystander ions, co-implanted with the dopant of interest, carry additional kinetic energy and thus increase the detection confidence of deterministic donor implantation employing single ion detectors to signal the induced electron-hole pairs. This allows the placement uncertainty of donor qubits to be minimised without compromising on detection confidence. We investigate the suitability of phosphorus difluoride (PF$_2^+$) molecule ions to produce high quality P donor qubits. Since $^{19}$F nuclei have a spin of $I = 1/2$, it is imperative to ensure that they do not hyperfine couple to P donor electrons as they would cause decoherence by adding magnetic noise. Using secondary ion mass spectrometry, we confirm that F diffuses away from the active region of qubit devices while the P donors remain close to their original location during a donor activation anneal. PF$_2$-implanted qubit devices were then fabricated and electron spin resonance (ESR) measurements were performed on the P donor electron. A pure dephasing time of $T_2^* = 20.5 \pm 0.5$ $\mu$s and a coherence time of $T_2^{Hahn} = 424 \pm 5$ $\mu$s were extracted for the P donor electron-values comparable to those found in previous P-implanted qubit devices. Closer investigation of the P donor ESR spectrum revealed that no $^{19}$F nuclear spins were found in the vicinity of the P donor. Molecule ions therefore show great promise for producing high-precision deterministically-implanted arrays of long-lived donor spin qubits.
• Abstract（参考訳）: シリコン28(^{28}$Si)のドナースピンは、固体で最も高性能な量子ビットの1つであり、記録的なコヒーレンス時間とゲート忠実度を99%以上提供する。 ドナースピン量子ビットは、決定論的イオン注入の半導体-産業互換法を用いて製造することができる。 ここでは, 単原子ではなく分子イオンを注入することで, 製造方法の精度を向上できることを示す。 傍観者イオンは関心のドーパントと共作用し、さらなる運動エネルギーを持ち、単一のイオン検出器を用いて誘導された電子-ホール対を信号する決定論的ドナー注入の検出信頼性を高める。 これにより、検出信頼を損なうことなくドナー量子ビットの配置不確実性を最小化することができる。 高品質なPドナー量子ビットを生成するために二フッ化リン(PF$_2^+$)分子イオンの適合性を検討した。 $^{19}$F核は$I = 1/2$のスピンを持つので、磁気ノイズを加えることによってデコヒーレンスを引き起こすため、Pドナー電子にカップルを超微細化しないようにすることが必須である。 二次イオン質量分析法を用いて、fはqubitデバイスの活性領域から拡散し、pドナーはドナー活性化アニールの間は元の位置に近いことが確認された。 PF$_2$-implanted qubit deviceを作製し、P供与電子上で電子スピン共鳴(ESR)測定を行った。 t_2^* = 20.5 \pm 0.5$$\mu$s と$t_2^{hahn} = 424 \pm 5$$$\mu$s の純粋な強調時間は、従来のp実装量子ビットデバイスに匹敵するpドナー電子値に対して抽出された。 PドナーESRスペクトルのより密な調査により、Pドナー近傍で$^{19}$Fの核スピンは見つからなかったことが判明した。 したがって、分子イオンは、長寿命ドナースピン量子ビットの高精度な決定論的に実装された配列を生成することを大いに約束する。

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