Новиков А.В.   Юрасов Д.В.   Демидов Е.В.   Ежевский А.А.   Шалеев М.В.   Дроздов М.Н.   Буланов А.Д.   Трошин О.Ю.   Ревин Л.С.   Панкратов А.Л.   Антонов А.В.   Красильникова Л.В.   Шмврин Д.А.   Ситников С.В.   Щеглов Д.В.   Красильник З.В.  

SiGe гетероструктуры для квантовых вычислений

Докладчик: Новиков А.В.

Согласно современным представлениям «универсальный квантовый компьютер», способный решать широкий круг практических задач, должен содержать 105 – 106  квантовых битов (кубитов). Для его создания важным фактором становится масштабируемость используемых систем. Именно масштабируемость является одним из преимуществ кубитов на основе полупроводниковых структур по сравнению с другими системами. В случае кубитов на основе кремния дополнительным преимуществом видится возможность использования промышленных интегральных технологий для их формирования [1].
В настоящей работе представлен обзор текущего состояния развития систем для квантовых вычислений на основе полупроводниковых структур. Показано, что кроме возможности использования промышленных технологий, существенным преимуществом кубитов на основе кремния являются развитые технологии его изотопного обогащения. За счет снижения концентрации изотопов с ненулевым ядерным спином эти технологии позволяют на порядки увеличить время фазовой когерентности кубита на основе манипуляции спином электрона. Продемонстрировано, что использование SiGe гетероструктур существенно расширяет возможности по манипуляции спином носителей заряда в структурах, выращенных на Si. Обсуждаются достоинства и недостатки различных типов кубитов, формируемых на основе Si и SiGe гетероструктур, использующих манипуляцию спином электрона или дырки.
В докладе также представлены результаты работ по созданию кубита на основе изотопнообогащенных Si/SiGe структур, ведущихся в рамках Дорожной карты «Квантовые вычисления». В их рамках была отработана технология формирования искусственных подложек на основе релаксированных Si0.7Ge0.3/Si(001) буферов с малой шероховатостью поверхности, которые необходимы для роста Si/SiGe структур. Были получены монокристаллы Si и Ge с низким содержанием изотопов с ненулевым ядерным спином (29Si и 73Ge, соответственно), которые использовались в качестве источников при росте методом молекулярно-пучковой эпитаксии Si/SiGe гетероструктур. Показано, что суммарное содержание изотопов с ненулевым ядерным спином (29Si + 73Ge) в выращенных Si/SiGe структурах находится на уровне 100 атомов на миллион. Получение Si/SiGe структур с низким содержанием изотопов с ненулевым ядерным спином как кремния, так и германия открывает новые возможности для увеличения междолинного расщепления в Si/SiGe структурах за счет введения Ge в Si квантовую яму (КЯ) [2]. Максимальная подвижность носителей в двумерном электронном газе в Si КЯ в выращенных структурах составила ~40 000 см2/(В*с) при Т~2 К, что свидетельствует об их высоком качестве. На полученных изотопнообогащенных Si/SiGe структурах сформирована система затворов нанометрового масштаба и микромагниты, необходимые для работы кубита и одноэлектронного транзистора. При Т~10 мК продемонстрирован одноэлектронный транспорт в полученных структурах.
Работа выполнена при поддержке Росатома (Договор № 868-1.3-15/15-2021 от 5 октября 2021 г. и Договор №Р2194 от 14.12.2021).
Литература
1. A. M. J. Zwerver et al. Qubits made by advanced semiconductor manufacturing // Nature Electronics, 5, 2022, P. 184–190.
2. M. P. Losert et al., Practical strategies for enhancing the valley split-ting in Si/SiGe quantum wells // Phys. Rev. B, 108, 2023, P. 125405.


К списку докладов