Riassunto analitico
Il qubit è l'unità di informazione nel calcolo quantistico. Mentre il suo analogo classico, il bit, può assumere solo uno di due valori possibili, 0 e 1, il qubit può trovarsi in una qualsiasi sovrapposizione dei due. La possibilità di sfruttare questi e altri fenomeni quantistici consente di progettare algoritmi quantistici estremamente più potenti delle loro controparti classiche. Qualsiasi sistema quantistico costituito da due stati ben isolati e manipolabili può costituire un qubit. Tuttavia, le condizioni alle quali operano questi sistemi sono generalmente molto restrittive. Il modo più naturale per implementare un qubit è attraverso il grado di libertà di spin 1/2 di un fermione, che può essere "su" o "giù". Lo stato di spin può quindi essere manipolato e misurato utilizzando campi magnetici e gate elettrici. I qubit di spin sono tipicamente implementati nei materiali semiconduttori. La principale causa di decoerenza in questi casi è l'interazione iperfine tra lo stato di spin e il momento magnetico dei nuclei atomici del reticolo, presente soprattutto nei semiconduttori appartenenti ai gruppi III-V, ad esempio GaAs. Noi ci concentriamo invece sui semiconduttori del gruppo IV, come silicio e germanio. Questi presentano un'abbondanza naturale di isotopi non magnetici che può essere ulteriormente aumentata, sopprimendo così in modo significativo l'interazione iperfine. Inoltre, i dispositivi al silicio sono ampiamente utilizzati nelle tecnologie moderne. Di conseguenza, le loro tecniche di produzione sono ben avanzate e consolidate e consentirebbero una produzione su larga scala, nonché un controllo e una precisione elevati su tutte le operazioni di calcolo e manipolazione di tali dispositivi. Sono anche scalabili, pertanto è possibile integrare e controllare più qubit su un singolo chip che operaa temperature fino a 4K, mentre molti altri tipi di qubit (ad esempio qubit superconduttori) sono limitati a pochi mK. Queste condizioni sono cruciali per costruire sistemi quantistici più complessi ed ottenere una realizzazione pratica di un computer quantistico. Il focus della nostra tesi è sui qubit di spin di lacuna in nanodispositivi in silicio, che identificano lo stato del qubit con lo spin effettivo di una singola lacuna. Un vantaggio rispetto agli stati elettronici in silicio è l'assenza di degenerazione di valle nella banda di valenza. Inoltre, gli stati di lacuna nei semiconduttori del gruppo IV appartengono all'orbitale atomico p. Pertanto, gli stati di lacuna sono localizzati lontano dai nuclei e l'interazione iperfine è ulteriormente ridotta. Per questi motivi, l'utilizzo di qubit si spin di lacuna in silicio consente di raggiungere tempi di coerenza dell'ordine di alcuni microsecondi. Le lacune possiedono anche accoppiamento spin-orbita, che aumenta la sensibilità degli stati di lacuna all'ambiente elettrostatico, ma allo stesso tempo rende possibile manipolare lo stato di lacuna direttamente tramite campi elettrici. In questo modo non è necessario l'utilizzo di micromagneti, che complicherebbero invece la realizzazione sperimentale di un dispositivo funzionante. L'apparato su cui ci concentreremo in questa tesi riproduce la struttura di un dispositivo MOSFET planare in scala ridotta in silicio, che utilizza gate elettrostatici per confinare lo stato di lacuna in un Quantum Dot. Ciò consente di identificare due stati isolati per codificare il qubit. Analizzeremo sia sistemi di Single Quantum Dot e Double Quantum Dot concentrandoci sulla variazione dei loro potenziali di confinamento, eseguendo simulazioni numeriche utilizzando un cluster computazionale appartenente al progetto IQubits in collaborazione con l'Istituto di Nanoscienze del CNR.
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Abstract
The qubit is the unit of information in quantum computation. While its classical analogous, the bit, can only assume one of two possible values, 0 and 1, the qubit can be in any superposition of the two. The possibility of exploiting such and other quantum phenomena allows to design quantum algorithms that are extremely more powerful than their classical counterparts. Any quantum system consisting of two well-isolated and manipulable states can make up a qubit. However, the conditions at which these systems operate are usually very restrictive. One natural way to implement a qubit is through the spin-1/2 degree of freedom of a fermion, which can be either "up" or "down". The spin state can then be manipulated and measured using magnetic fields and electric gating. Spin qubits are typically implemented in semiconductor materials. In these cases, the main cause of decoherence is the hyperfine interaction between the spin state and the magnetic moment of the atomic nuclei of the lattice, especially present in semiconductors belonging to the III-V groups, e.g GaAs. We focus instead on IV-group semiconductors, such as silicon and germanium. These present a natural abundance of non-magnetic isotopes which can be further increased, thus significantly suppressing the hyperfine interaction. Additionally, silicon devices are nowadays largely used in modern technologies. Consequently, their manufacturing techniques are well-advanced and established, and would allow for large-scale production, as well as a higher control and precision on all quantum-computational tasks. They are also scalable, thus, multiple qubits can be integrated and controlled on a single chip, and can be operated at temperatures as high as 4K, while many other kinds of qubits (e.g. superconductor qubits) are limited to a few mK. These conditions are crucial for building larger quantum systems and realizing practical quantum computers. The focus of our thesis is on hole-spin qubits in silicon nanodevices, which identify the state of the qubit with the effective spin of a single hole. One advantage with respect to the electronic states in silicon is the absence of valley degeneracy in the valence band. Additionally, hole states in IV-group semiconductors belong to the atomic p-orbital. Thus, the hole states are localized away from the nuclei, and the hyperfine interaction is further reduced. For these reasons, the use of hole-spin qubits in silicon allows to reach coherence times of the order of a few microseconds. Holes also possess spin-orbit coupling, which enhances the sensitivity of hole states to the electrostatic environment, but at the same time makes it possible to directly manipulate the state of the hole by means of electric pulses. In this way, there is no need to use micromagnets, which instead would complicate the experimental realization of a working device. The set-up that we will focus on in this thesis reproduces the structure of a planar down-scaled MOSFET device in Silicon, which uses electrostatic gates to confine the hole state in a Quantum Dot. This allows to identify two isolated states to encode the qubit. We analyze Single Quantum Dot and Double Quantum Dot systems focusing on the variation of their confinement potentials, performing numerical simulations using a computational cluster belonging to the IQubits project in collaboration with the CNR Institute of Nanosciences.
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