Realizing spin qubits in 28Si/SiGe: heterostructure gating, qubit decoherence and asymmetric charge sensing

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	25 January 2021
Referee:	Prof. Dr. Dominique Bougeard
Date of exam:	30 November 2020
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Huber > Group Dominique Bougeard
Keywords:	qubit, quantum computing, silicon, heterostructure, charge sensing, MBE
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	44450

Abstract (English)

Quantum computers are predicted to offer the possibility to perform some computational tasks significantly faster than their classical counterparts. The smallest part of a quantum computer is a qubit, the quantum counterpart of a classical bit. In this thesis, we study the realization of a single electron spin qubit set in an electrostatically defined quantum dot in a 28Si/SiGe heterostructure, ...

Abstract (English)

Quantum computers are predicted to offer the possibility to perform some computational tasks significantly faster than their classical counterparts. The smallest part of a quantum computer is a qubit, the quantum counterpart of a classical bit. In this thesis, we study the realization of a single electron spin qubit set in an electrostatically defined quantum dot in a 28Si/SiGe heterostructure, grown by means of molecular beam epitaxy. The two-level quantum system is given by the Zeeman-split spin-up and spin-down states which emerge in the external magnetic field. The 28Si quantum well grown using an isotopically purified solid source material with less than 60 ppm 29Si provides a virtually nuclear spin-free host material for the electron spin qubit.
We study the properties of the heterostructure in magnetotransport, especially under the influence of biased cool-down and illumination at cryogenic temperature. We add to a phenomenological model explaining the observed behavior under consideration of trap states at the semiconductor-oxide interface. Employing a single spin relaxation study, we find an exceptionally large and robust valley splitting energy in the order of 200 µeV. Following the demonstration of spin manipulation via electric dipole spin resonance in the magnetic field gradient provided by a Co-nanomagnet, we extract the dephasing characteristics of our qubit. At a total measurement time of 10 minutes, we find a dephasing time of 18 µs while refocusing slow noise yields a Hahn-echo time of 128 µs. Closing the thesis, we show a proof-of-concept for a new kind of charge sensor based on the reduction of the capacitive coupling of the sensor quantum dot to a sensor reservoir. Here, we find a capacitive coupling reduced by a factor of three in response to a gate voltage variation.

Translation of the abstract (German)

Manche Rechenprobleme sollen von Quantencomputern bedeutend schneller gelöst werden können als von ihrem klassischen Gegenstück. Das kleinste Bauteil eines Quantencomputers ist ein Qubit, das quantenmechanische Äquivalent des klassischen Bits. In dieser Arbeit befassen wir uns mit der Realisierung eines Einzelelektronenspin-Qubits eingeschränkt in einem elektrostatisch definiertem Quantenpunkt in ...

Translation of the abstract (German)

Manche Rechenprobleme sollen von Quantencomputern bedeutend schneller gelöst werden können als von ihrem klassischen Gegenstück. Das kleinste Bauteil eines Quantencomputers ist ein Qubit, das quantenmechanische Äquivalent des klassischen Bits. In dieser Arbeit befassen wir uns mit der Realisierung eines Einzelelektronenspin-Qubits eingeschränkt in einem elektrostatisch definiertem Quantenpunkt in einer 28Si/SiGe Heterostruktur, welche mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen wurde. Das quantenmechanische Zwei-Niveau-System wird durch die Zeeman-Aufspaltung der Spin-Up und Spin-Down Zustände gebildet. Der 28Si Quantentrog, welcher mit einer isotopenreinen Quelle mit weniger als 60 ppm 29Si gewachsen wurde, stellt eine quasi Kernspin-freie Umgebung für das Spin-Qubit bereit.
Wir untersuchen die Eigenschaften der Heterostruktur mithilfe von Magnetotransport, insbesondere unter dem Einfluss vorgespannten Einkühlens und von Beleuchtung bei tiefen Temperaturen. Wir erweitern ein phänomenologisches Modell, welches das beobachtete Verhalten unter der Berücksichtigung von Störstellen am Halbleiter-Oxid Übergang erklärt. Durch die Analyse von Einzelspinrelaxation, erhalten wir eine außerordentlich hohe und robuste Täleraufspaltungsenergie in der Größenordnung von 200 µeV. Nach dem Nachweis der Spinmanipulation, mittels elektrischer Dipol-Spin-Resonanz im Magnetfeldgradienten des Co-Nanomagneten, wenden wir uns den Dephasierungseigenschaften unseres Qubits zu. Für eine Messzeit von 10 Minuten beobachten wir eine Dephasierungszeit von 18 µs und durch die Refokussierung von langsamem Rauschen eine Hahn-Echozeit von 128 µs. Im letzten Teil der Arbeit zeigen wir die Realisierung eines neuartigen Ladungssensors, welcher darauf beruht, dass die kapazitive Kopplung des Sensorquantenpunktes mit einem der Sensorreservoire reduziert wird. Hier beobachten wir eine Reduzierung der Kopplung um einen Faktor drei infolge einer Veränderung der Gatterspannung.

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