Charge Noise in Semiconductor Spin Qubits

Ladungsrauschen ist eine der größten Herausforderungen bei der Skalierung von Halbleiter-basierten Spin-Qubits zu größeren Quantensystemen. Während der Spin-Zustand von Elektronen und Löchern weitgehend von deren Ladungsfreiheitsgrad isoliert ist, erfordert die Manipulation von Spin-Qubits mit Gatespannungen eine Form der Spin-Ladungs-Kopplung. Diese Kopplung lässt sich entweder durch eine dem Material intrinsische Spin-Bahn-Wechselwirkung oder durch lokale magnetische Feldgradienten realisieren. Die Kopplung des Spins mit der Ladung macht das Qubit jedoch empfindlich gegenüber unkontrollierten Ladungs- oder Feldfluktuationen in den Substratmaterialien, an den Grenzflächen und durch elektrisches Rauschen an den Gates. Bislang gibt es keinen klaren Konsens in dem Gebiet, wie das Ladungsrauschen am besten zu charakterisieren oder das Problem zu umgehen ist, und viele Gruppen haben ihre eigenen Rezepte.

Um solch aktuelle Themen zeitnah zu diskutieren, gibt es das neue Format des „Fast Track Workshops“ der Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung. So konnten wir mit sehr kurzer Vorbereitungszeit (drei Monate von Antragseinreichung bis Durchführung) eine eindrucksvolle internationale Auswahl an Forschenden auf dem Gebiet zusammenbringen, um über dieses wichtige Thema zu diskutieren. Der Workshop fand am 9. und 10. Juni 2022 auf dem Campus von IBM Research Europe - Zürich statt und hatte mit zwanzig externen und zehn lokalen Teilnehmerinnen und Teilnehmern genau die richtige Größe, um intensiv und zielführend diskutieren zu können.

Schon der erste Vortrag führte mit einer Liste provokativer Fragen zu einer angeregten Diskussion über den Zusammenhang zwischen Material- respektive Transporteigenschaften von SiGe-Heterostrukturen (z.B. deren Mobilität) mit dem Ladungsrauschen in darauf basierenden Qubits. Generell haben viele Sprecher den Zusammenhang zwischen amorphen Materialien (Oxide und Prozessierungsrückstände), Interfacetraps und atomaren Verunreinigungen mit dem Ladungsrauschen hergestellt. Neben den mikroskopischen Quellen des Ladungsrauschens wurden auch die zugehörigen Messmethoden diskutiert. Ein besonders interessanter Aspekt war die Frage, ob man die Qubits gegenüber dem Ladungsrauschen unempfindlich machen kann, d.h. ob es also „sweet spots“ gibt, an welchen man das Qubit zwar gut kontrollieren kann, das Ladungsrauschen jedoch nicht an das Qubit koppelt. Hierzu gab es vor allem für den Lochspin in MOS-Qubits sowohl von der Theorie als auch vom Experiment her interessante neue Resultate.

Der Austausch während und zwischen den Vorträgen sowie bei den Kaffeepausen wurde so rege genutzt, dass die angedachten „geleiteten“ Diskussionen zwischen den Vortragsblöcken überflüssig wurden. Hierzu hat mit Sicherheit auch der fokussierte Rahmen des WE Heraeus Fast Track Workshops beigetragen. Das Feedback der Teilnehmer und Teilnehmerinnen zu dem neuen Format des Workshops war durchwegs äußerst positiv. Wir danken der Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung für die organisatorische Unterstützung und die Finanzierung dieses erfolgreichen Workshops, auch im Namen aller Teilnehmer.

Dr. Andreas Fuhrer, IBM Research Europe - Zürich
Prof. Dr. Guido Burkard, University of Konstanz