Nat.Electron.：快速低温表征1024个集成硅量子点设备

摘要：

随着量子处理器复杂性的增加，新的挑战不断出现，例如设备变异性的管理和与支持电子设备的接口问题。硅量子点中的自旋量子比特可能能够解决这些挑战，因为它们具有控制保真度高和与大规模集成兼容的潜力。在本研究中，报告了 将1,024个独立的硅量子点器件与片上数字和模拟电子设备集成在一起，所有设备都在低于1 K的温度下运行。 高频模拟多路复用器提供了对所有设备的快速访问，且电气连接最少，使得量子点阵列的特征数据可以在不到10分钟内获取和分析。这是 通过利用射频反射测量和最先进的信号完整性实现的，其典型信噪电压比在3.18微秒的积分时间内超过75。 通过自动化的机器学习程序提取关键的量子点参数，以评估量子点的产量并理解器件设计的影响。我们发现量子点参数与室温晶体管行为之间的相关性，这可以作为在线工艺监测的代理.

实验方法：

设备结构与集成

- 量子点设备：使用硅量子点作为自旋量子比特的平台，具有与大规模集成兼容的潜力。量子点形成于未掺杂的硅通道中，当栅极电压接近阈值电压时，量子点会形成。

- 集成电子：将1,024个独立的硅量子点设备与片上数字和模拟电子设备集成在一起，所有设备在低于1 K的温度下运行。使用高频模拟多路复用器（MUX）实现对所有设备的快速访问，减少了电气连接数量。

测量方法

- 射频反射测量（rf reflectometry）：

- 原理：通过测量设备阻抗的变化来检测量子点电荷跃迁。设备的高阻抗通过匹配网络与50 Ω线路匹配，以便监测反射电压随设备阻抗的变化。

- 信号处理：使用射频反射测量技术，通过测量反射信号的变化来获取量子点的特征数据。该技术具有高信噪比和宽带宽，能够在短时间内获取大量数据。

- 数据采集：在测量过程中，对栅极电压施加三角波形，信号采集发生在波形上升沿。每个量子点的特征数据在不到10分钟内获取和分析。

- 直流输运测量（dc transport measurement）：

- 原理：通过测量电子通过量子点的隧穿电流来获取量子点的特征数据。使用跨阻放大器将电流转换为电压进行记录。

- 数据采集：在测量过程中，对栅极电压施加三角波形，信号采集发生在波形上升沿。每个量子点的特征数据需要大约15秒或30秒来获取。

数据处理与分析

- 自动化机器学习：

- 参数提取：通过自动化机器学习程序提取关键的量子点参数，如首次观测到的电子加载电压、栅极杠杆臂和源-漏杠杆臂差异等。

- 设备分类：使用卷积神经网络（CNN）对设备进行分类，分为“良好”、“不良”和“多点”三类，以便更好地理解和分析设备的性能。

- 统计分析：

- 参数分布：分析不同设备尺寸和操作条件下的参数分布，以评估量子点的产量和设备设计的影响。

- 相关性分析：研究量子点参数与室温晶体管行为之间的相关性，以作为在线工艺监测的代理.

实验装置

- 低温环境：所有测量在10 mK的混合腔板上进行，使用Bluefors XLD稀释制冷机。

- 信号放大与处理：使用低温放大器和室温放大器对信号进行放大和处理，然后通过模数转换器进行数字化处理。

- 控制与电源：使用QDevil QDAC II提供直流电压，使用Keysight 33500B任意波形发生器提供栅极电压扫描信号，使用Rohde & Schwarz SMB100B生成射频参考信号.

创新点：

集成创新

- 大规模集成：成功将1,024个独立的硅量子点设备与片上数字和模拟电子设备集成在一起，这是迄今为止在硅量子点领域中集成数量最多的研究之一。这种大规模集成展示了硅量子点与现有半导体制造工艺的兼容性，为未来量子计算机的可扩展性奠定了基础.

- 高频模拟多路复用器（MUX）：开发了一种高频模拟MUX，能够在低温环境下快速访问所有量子点设备，减少了电气连接数量。这种MUX的设计和应用提高了量子点设备的读取速度和灵活性，为解决量子处理器与室温处理器之间的连接问题提供了新的思路.