Singlet-triplet qubit coupled to many-electron spin states in 28Si/SiGe = 28Si/SiGe에서 다전자 스핀 상태와 결합된 싱글렛-트리플렛 큐빗

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Silicon spin qubits offer long coherence times and compatibility with CMOS fabrication, making them a strong candidate for scalable quantum information processing. This thesis investigates singlet–triplet (ST0) qubits formed in gate-defined double quantum dots in isotopically enriched 28Si/SiGe with an integrated micromagnet that provides local magnetic-field gradients. We demonstrate fast electrically driven ST0 oscillations approaching 100 MHz and observe quality factors exceeding 580. By measuring the qubit coherence across detuning and magnetic-field conditions, we identify that in weak external fields the dephasing time T2∗ is limited by fast, frequency-independent noise. We further report strong and coherent coupling between the ST0 qubit and a nearby many-electron quantum dot, manifested as frequency shifts and beating, and confirm this mechanism through quantum master-equation simulations.
Building on these results, we design a two-dimensional 2×2 silicon spin-qubit array featuring multilayer gate control and an optimized micromagnet engineered for uniform out-of-plane gradients. This architecture enables exploration of tunable exchange interactions, including destructive interference between direct and superexchange pathways that can drive the effective coupling to zero or negative values. We outline future directions for scaling silicon spin qubits and advanced 2D architectures.

국문 초록 (Abstract)

실리콘 스핀 큐빗은 긴 결맞음 시간과 CMOS 공정과의 높은 호환성 덕분에 대규모 양자 정보처리 플랫폼으로서 유망한 후보로 주목받고 있다. 본 논문에서는 동위원소 정제된 28Si/SiGe 이종접합 내에 게이트로 정의된 이중 양자점에서 형성된 싱글렛–트리플렛(ST0) 큐빗을 연구하며, 국소 자기장 기울기를 제공하는 온칩 마이크로마그넷을 이용한 구동 및 제어를 탐구한다. 전기적으로 구동된 ST0 큐빗의 진동 주파수가 약 100 MHz에 도달함을 보였고, 그 품질 계수(Q-factor)가 580을 초과함을 확인하였다. 또한 디튜닝(detuning) 및 외부 자기장 조건에 따른 결맞음 특성을 분석한 결과, 약한 외부 자기장 조건에서는 결맞음 시간 T2∗가 빠르고 주파수에 무관한 노이즈에 의해 제한됨을 규명하였다. 더 나아가, 근접한 다전자 양자점과 ST0 큐빗 사이의 강한 상호작용을 관측하였으며, 이는 주파수 이동 및 beating 현상으로 나타나고, 양자 마스터 방정식 기반 시뮬레이션을 통해 그 메커니즘을 확인하였다.
이러한 결과를 바탕으로, 다층 게이트 구조와 균일한 수직 자기장 기울기를 제공하도록 최적화된 마이크로 마그넷을 갖춘 2×2 실리콘 스핀 큐빗 어레이를 설계하였다. 이 구조는 직접 및 초교환 상호작용이 간섭하여 유효 교환 상호작용을 0 또는 음수로 만들 수 있는 tunable coupling 메커니즘을 실험적으로 탐구할 수 있게 한다. 마지막으로, 실리콘 스핀 큐빗의 확장성 향상 및 진보된 2차원 아키텍처 구축을 위한 향후 연구 방향을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Coherence of a field-gradient-driven singlet-triplet qubit coupled to many-electron spin states in 28Si/SiGe 18
• Chapter 3. 2×2 silicon spin qubit device 55
• Chapter 4. Outlook 62
• Bibliography 65
• Abstract in Korean 66