Superfast hole spin qubits enabled by uniaxial strain-boosted spin-orbit coupling

Auf der Suche nach dem Bau eines Quantencomputers suchen Wissenschaftler nach einem Weg, die kleinsten Informationseinheiten, bekannt als Qubits, mit extremer Geschwindigkeit und Präzision zu steuern. Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, den „Spin“ eines Teilchens zu nutzen – eine fundamentale Eigenschaft, die wie ein winziger interner Kompass wirkt –, um Daten zu speichern. Während traditionell Magnetfelder verwendet wurden, um diese Spins umzukippen, zielt die moderne Forschung darauf ab, sie mittels elektrischer Felder zu steuern, was schneller und einfacher in winzigen elektronischen Schaltkreisen zu handhaben ist. Ein großes Hindernis war jedoch, dass in vielen gängigen Halbleitermaterialien die Verbindung zwischen dem elektrischen Feld und dem Spin zu schwach ist, um nützlich zu sein. Diese schwache Verbindung zwingt die Geräte dazu, mit quälend langsamen Geschwindigkeiten zu arbeiten, oder erfordert, dass sie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden, nur um funktionieren zu können. Um dies zu überwinden, suchen Forscher nach Wegen, die Wechselwirkung zwischen Elektrizität und Spin zu verstärken, in der Hoffnung, eine neue Generation ultra-schneller Quantenprozessoren freizusetzen, die eines Tages die fortschrittlichsten Computer, die wir heute besitzen, übertreffen könnten.

Ein Forschungsteam hat nun einen Weg identifiziert, um diese Verbindung in einer spezifischen Art von Halbleiterstruktur aus Germanium und Silizium-Germanium drastisch zu verstärken. Durch das Anlegen einer spezifischen Art von mechanischer Spannung, bekannt als uniaxiale Dehnung (Strain), gelang es ihnen, die Fähigkeit elektrischer Felder zu steigern, den Spin von „Löchern“ zu manipulieren – was im Wesentlichen das Fehlen eines Elektrons ist, das als positiver Ladungsträger fungiert. In ihren Simulationen fanden die Forscher heraus, dass das Dehnen des Materials in eine präzise Richtung entlang der [110]-Achse – eine Standardtechnik in der modernen Chipfertigung – die Energieniveaus der Löcher so verschob, dass ihre Empfindlichkeit gegenüber elektrischen Feldern stark erhöht wurde. Diese Steigerung ist so signifikant, dass sie das Verhalten des Materials verändert und es mit den fortschrittlichsten zweidimensionalen Materialien vergleichbar macht, die für diese Eigenschaft bekannt sind. Das Ergebnis ist ein System, bei dem der Spin mit einem elektrischen Feld mit einer Rate von 40 Gigahertz umgekippt werden kann, eine Geschwindigkeit, die mehr als zehnmal schneller ist als das, was derzeit durch andere führende Quantencomputing-Plattformen erreicht wird.

Die Forscher erreichten dies durch die Modellierung eines Quantentopfes (Quantum Well), einer dünnen Germaniumschicht, die zwischen Schichten aus Silizium-Germanium eingebettet ist, und durch das Anlegen einer kompressiven Dehnung entlang der [110]-Richtung. In ihren Berechnungen beobachteten sie, dass diese Dehnung zwei verschiedene Arten von Loch-Zuständen mischt – leichte Löcher und schwere Löcher –, die normalerweise getrennt bleiben. Diese Mischung ist der Schlüssel, der die starke Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld und dem Spin freischaltet. Als sie eine Dehnung von nur 0,4 Prozent anwandten, stieg die Stärke dieser Wechselwirkung um den Faktor von etwa dreißig zu vierundzwanzig, abhängig von der Messrichtung. Dies ist ein gewaltiger Sprung gegenüber der schwachen Wechselwirkung, die in ungespannten Materialien zu finden ist und die Geschwindigkeit aktueller Geräte begrenzt. Darüber hinaus entdeckte das Team, dass sie durch die Reduzierung einer anderen Art von interner Spannung, der biaxialen Dehnung, die Wechselwirkungsstärke noch weiter steigern konnten, bis sie Niveaus erreichte, die denen der besten in der Natur vorkommenden Materialien für diesen speziellen Zweck ebenbürtig sind.

Vielleicht am wichtigsten ist, dass die Studie zeigt, dass diese extreme Geschwindigkeit nicht zu Lasten der Genauigkeit geht. In vielen Quantensystemen führt die Erhöhung der Betriebsgeschwindigkeit oft dazu, dass das System anfälliger für Rauschen und Fehler wird, was die Informationen degradieren lässt. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass das System bei diesen hohen Geschwindigkeiten in ein neues Regime eintritt, in dem es von Natur aus immun gegen gate-steuerung-induziertes elektrisches Rauschen wird – eine spezifische Art von elektrischem Rauschen, das Qubits normalerweise stört. Das bedeutet, dass das Gerät bei diesen beispiellosen Geschwindigkeiten von 40 Gigahertz operieren kann, während es eine hohe Fidelität, oder Genauigkeit, bei seinen Berechnungen beibehält, vorausgesetzt, die Gate-Fidelität liegt innerhalb des möglichen Bereichs. Das Team identifizierte zudem einen „Sweet Spot“ in der Stärke des elektrischen Feldes, an dem die Wechselwirkung maximiert wird, was ein klares Ziel für Ingenieure darstellt, wenn sie diese Geräte bauen. Diese Entdeckung legt nahe, dass es durch den Einsatz von Standardfertigungstechniken zur Anwendung von Dehnung möglich ist, loch-basierte Spin-Qubits zu erschaffen, die nicht nur unglaublich schnell, sondern auch robust genug sind, um das Fundament für skalierbare Quantencomputer zu bilden.

Die Auswirkungen dieser Arbeit reichen über einen schnelleren Prozessor hinaus. Die Fähigkeit, Spins mit elektrischen Feldern bei solch hohen Geschwindigkeiten zu steuern, öffnet die Tür dazu, komplexe Berechnungen in einem Bruchteil der Zeit durchzuführen, die es derzeit dauert. Die Forscher merken an, dass dieser Ansatz vollständig kompatibel mit der bestehenden CMOS-Technologie (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) ist, die die überwiegende Mehrheit der weltweiten elektronischen Geräte antreibt. Diese Kompatibilität ist entscheidend, da sie bedeutet, dass der Weg zum Bau dieser fortschrittlichen Quantencomputer nicht die Erfindung völlig neuer Fertigungsprozesse von Grund auf erfordert. Stattdessen beruht er auf der Verfeinerung der Techniken, die bereits verwendet werden, um schnellere und effizientere Transistoren herzustellen. Indem sie die Kraft des Strain-Engineerings nutzen, bietet diese Forschung einen klaren und praktischen Weg zur Verbesserung der Leistung von halbleiterbasierten Quantengeräten und bringt das Zeitalter des praktischen Quantencomputings potenziell näher in die Realität.