Elektronenmikroskop-Aufnahme des auf dem CMOS-Typ-Gerät abgeschiedenen Mikromagneten. Ein einzelnes Elektron ist im CMOS-Gerät gefangen und sein Spin wird durch elektrische Dipol-Spin-Resonanz aufgrund des durch den Mikromagneten erzeugten Feldgradienten manipuliert.
Die Entwicklung der Quantenberechnung erfordert die Vernetzung von Millionen von quantenbits oder "Qubits". Es gibt mehrere Kandidaten für die beste Technologie hierzu. Unter ihnen bieten Spin-Qubits in Halbleitern lange Kohärenzzeiten (während sie ihre Quanteneigenschaften behalten) und sind kompatibel mit CMOS-Strukturen (complementary metal-oxide-semiconductor), einer Technologie, die die Integration von Milliarden von Transistoren in der herkömmlichen Mikroelektronik ermöglicht hat. Dies macht das Spin-Qubit zu einem idealen Kandidaten für eine zuverlässige und skalierbare Herstellung von Quantenprozessoren.
Ein Team vom Institut Néel (CNRS / Universität Grenoble Alpes) in Zusammenarbeit mit dem CEA (IRIG und Leti) hat sich daher auf die Herstellung und Charakterisierung von Zwischenlösungen konzentriert, die den Übergang von der Laborforschung zu vollständig den CMOS-Industriestandards entsprechenden Qubits ermöglichen. Insbesondere konzentrierten sich die Wissenschaftler auf das einzigartige Elektronen-Spin-Qubit in einem CMOS-Gerät, das mit einem in den Herstellungsprozess integrierten Mikromagneten ausgestattet ist.
Dieser Mikromagnet erzeugt ein inhomogenes Magnetfeld, in dem sich das Elektron bewegt. Wenn diese Bewegung bei einer bestimmten Frequenz erfolgt, beginnt der Spin des Elektrons, das sich auch wie ein Nano-Magnet verhält, sich zu drehen. Dieselben Prinzipien werden bei Messungen der magnetischen Resonanz angewendet. Diese Methode ermöglichte es, den Einfluss der Elektronenumgebung auf die Dekohärenz seines Spins zu untersuchen, wie Ladungsschwankungen oder Kernspin-Fluktuationen, sowie die Präsenz von angeregten Zuständen, die mit der kristallinen Struktur des Siliziums verbunden sind. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kohärenz des Systems durch das magnetische Rauschen begrenzt wird, das durch die Kernspins des natürlichen Siliziums induziert wird, was durch die Anreicherung mit dem nicht magnetischen Isotop 28 Silizium leicht verbessert werden könnte.
Diese in der Zeitschrift NPJ Quantum Information veröffentlichte Studie liefert somit die ersten experimentellen Beweise für die kohärente Manipulation eines Elektrons in einer mit der klassischen Mikroelektronikherstellung kompatiblen Struktur.
Referenzen:
Elektrische Manipulation eines einzelnen Elektronenspins in CMOS mit Mikromagnet und Spin-Valley-Kopplung,
Bernhard Klemt, Victor Elhomsy, Martin Nurizzo, Pierre Hamonic, Biel Martinez, Bruna Cardoso Paz, Cameron Spence, Matthieu C. Dartiailh, Baptiste Jadot, Emmanuel Chanrion, Vivien Thiney, Renan Lethiecq, Benoit Bertrand, Heimanu Niebojewski, Christopher Bäuerle, Maud Vinet, Yann-Michel Niquet, Tristan Meunier und Matias Urdampilleta, NPJ Quantum Information, veröffentlicht am 23. Oktober 2023.
Doi: 10.1038/s41534-023-00776-8
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