論文の概要: Optimization of Si/SiGe Heterostructures for Large and Robust Valley Splitting in Silicon Qubits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.18064v1
• Date: Fri, 19 Dec 2025 21:02:49 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-23 18:54:32.174892
• Title: Optimization of Si/SiGe Heterostructures for Large and Robust Valley Splitting in Silicon Qubits
• Title（参考訳）: Si/SiGeヘテロ構造の最適化
• Authors: Abel Thayil, Lasse Ermoneit, Lars R. Schreiber, Thomas Koprucki, Markus Kantner,
• Abstract要約: 低温かつ変動する谷分割は、シリコン中の電子スピン量子ビットの鍵となる課題の1つである。 新しい設計では、谷分割の幅が200ドル(約2万2000円)から垂直電界で制御される1mV以上になる。
• 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: The notoriously low and fluctuating valley splitting is one of the key challenges for electron spin qubits in silicon (Si), limiting the scalability of Si-based quantum processors. In silicon-germanium (SiGe) heterostructures, the problem can be addressed by the design of the epitaxial layer stack. Several heuristic strategies have been proposed to enhance the energy gap between the two nearly degenerate valley states in strained Si/SiGe quantum wells (QWs), e.g., sharp Si/SiGe interfaces, Ge spikes or oscillating Ge concentrations within the QW. In this work, we develop a systematic variational optimization approach to compute optimal Ge concentration profiles that boost selected properties of the intervalley coupling matrix element. Our free-shape optimization approach is augmented by a number of technological constraints to ensure feasibility of the resulting epitaxial profiles. The method is based on an effective-mass-type envelope-function theory accounting for the effects of strain and compositional alloy disorder. Various previously proposed heterostructure designs are recovered as special cases of the constrained optimization problem. Our main result is a novel heterostructure design we refer to as the "modulated wiggle well," which provides a large deterministic enhancement of the valley splitting along with a reliable suppression of the disorder-induced volatility. In addition, our new design offers a wide-range tunability of the valley splitting ranging from about 200 $μ$eV to above 1 meV controlled by the vertical electric field, which offers new perspectives to engineer switchable qubits with on-demand adjustable valley splitting.
• Abstract（参考訳）: 谷分割はシリコン(Si)における電子スピン量子ビットの鍵となる課題の一つであり、Siベースの量子プロセッサのスケーラビリティを制限している。 シリコンゲルマニウム(SiGe)ヘテロ構造では、エピタキシャル層の設計によってこの問題に対処できる。 歪んだSi/SiGe量子井戸(QWs)、例えば鋭いSi/SiGe界面、Geスパイクまたは振動するGe濃度における2つのほぼ退化した谷間エネルギーギャップを高めるためのいくつかのヒューリスティック戦略が提案されている。 本研究では, 最適Ge濃度分布を計算するための系統的変分最適化手法を開発し, インターバルリー結合行列要素の選択特性を向上する。 我々の自由形状最適化アプローチは、結果のエピタキシャルプロファイルの実現性を保証するために、数多くの技術的制約によって強化されている。 本手法は, ひずみおよび組成合金障害の影響を考慮した有効質量型エンベロープ関数理論に基づく。 制約付き最適化問題の特別な事例として, これまでに提案されたヘテロ構造設計を復元する。 我々の主な成果は「変調ウィグルウェル」と呼ばれる新しいヘテロ構造設計であり、バレー分割の決定論的拡張と、障害によるボラティリティの確実な抑制をもたらす。 さらに、我々の新しい設計では、垂直電界によって制御される約200$μ$eVから1meVまでの谷分割の広範囲調整が可能であり、オンデマンドで調整可能な谷分割を施した切換可能なキュービットを設計するための新たな視点を提供する。

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