Coherent Two-Qubit Control in Industrial Si/SiGe Spin Qubits

Skalierbare Quanteninformatik erfordert Qubit-Systeme, die Kohärenz, Steuerfidelität und Interkonnektivität innerhalb eines reproduzierbaren Fertigungsrahmens vereinen. Silizium-Spin-Qubits sind besonders attraktiv aufgrund ihrer Kompatibilität mit fortgeschrittener industrieller Halbleiterverarbeitung. Diese Dissertation demonstriert kohärente Einzel- und Zwei-Qubit-Operationen mit Si/SiGe-Spin-Qubit-Einheiten, die von imec (engl. Interuniversity Microelectronics Centre) vollständig in einer industriellen Fertigungslinie hergestellt wurden, einschließlich monolithischer Integration von Kobaltmikromagneten zur Spinsteuerung.
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Zwei einzelne Qubits wurden geformt und im MHz-Bereich kohärent angeregt, mit Ramsey-Kohärenzzeiten von über 1 µs und Hahn-Echo-Zeiten von bis zu 79 µs, welche primär durch Kernspinrauschen der natürlich vorkommenden $^{29}$Si-Isotope limitiert sind. Diese Werte bestätigen eine robuste Kohärenz in einer industriellen Plattform, wobei Unterschiede zwischen den beiden Qubits auf die räumliche Nähe zu Dekohärenzquellen zurückgeführt werden. Eine eingehende Analyse der Qubitsteuerung hebt die Empfindlichkeit der Mikrowellenanregungseffizienz gegenüber der Quanten-Punkt-Positionierung hervor und identifiziert elektrostatische Optimierung als praxisnahen Ansatz zur Verbesserung der Steuerung.

Zwei-Qubit-Logik wurde durch induzierte Austauschkopplung in einem Doppelpunktsystem realisiert, wobei Kopplungsstärken von bis zu 20 MHz erreicht wurden. Bedingte Resonanzverschiebungen unter endlicher Kopplung bestätigten kohärente Spin-Spin-Wechselwirkungen und ermöglichten die Implementierung des bedingten Rotations-Gatters (CROT). Kohärente Zwei-Qubit-Dynamik wurde sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich beobachtet, was funktionale verschränkende Operationen validiert. Die zukünftige Integration von Hochgeschwindigkeits-Bias-Tee-Schaltungen wird vorgeschlagen, um das symmetrische Betriebsregime zu erschließen und universelle Steuerung durch schnelle Austauschmodulation zu ermöglichen.

Diese Ergebnisse belegen, dass industriell gefertigte, siliziumbasierte Spin-Qubits die strengen Anforderungen für kohärente Multi-Qubit-Operationen erfüllen können, und unterstützen Silizium-Spin-Qubits als eine vielversprechende Architektur für universelle Quantenberechnung.

Scalable quantum computing demands qubit systems that combine coherence, control fidelity, and interconnectivity within a reproducible fabrication framework. Silicon spin qubits are particularly attractive due to their compatibility with advanced industrial semiconductor processing. This thesis demonstrates coherent single- and two-qubit operations using Si/SiGe spin qubit devices fabricated by imec (Interuniversity Microelectronics Centre) entirely in an industrial fabrication line, including monolithic integration of cobalt micromagnets for spin control.

Two individual qubits were formed and coherently driven in the MHz range, exhibiting Ramsey coherence times exceeding 1 µs, and Hahn-echo times of up to 79 µs, which are primarily limited by nuclear spin noise from naturally abundant $^{29}$Si isotopes. ... mehrThese values confirm robust coherence in an industrial platform, with differences in between both qubits attributed to spatial proximity to decoherence sources. An in-depth qubit control analysis highlights the sensitivity of microwave drive efficiency to gate-defined dot positioning, identifying electrostatic optimization as a practical lever for improved control.
Two-qubit logic was realized by inducing exchange coupling in a double quantum dot, achieving interaction strengths of up to 20 MHz. Conditional resonance shifts under finite coupling confirmed coherent spin-spin interactions and enabled implementation of the conditional rotation (CROT) gate. Coherent two-qubit dynamics were observed in both time and frequency domains, validating functional entangling operations. Future integration of high-speed bias-tee circuitry is proposed to access symmetric operating regimes and enable universal control via fast exchange modulation.

These results validate that industrially fabricated Si-based spin qubits can meet the stringent requirements for coherent multi-qubit operation, supporting silicon spin qubits as a viable architecture for universal quantum computation.