For researchers to successfully engineer future quantum computers, it will be important for them to use the right materials.
Dr. Jonathan Baugh, a professor at the Institute for Quantum Computing (IQC) and the University of Waterloo’s Department of Chemistry, is collaborating with researchers across campus to create new, high-quality materials with desirable properties for these future applications in quantum computing.
After several years of work, Baugh and his collaborators have found a method for growing crystalline structures using the semiconductor indium antimonide, which has been engineered with specific purposes in mind. This is an exciting first step towards building designer quantum devices.
The researchers have created an indium antimonide platform designed for a type of qubit known as a Majorana fermion. While still theoretical, these qubits are predicted to have better resilience to noise and decoherence compared with other types of qubits due to their unique physics. Majorana qubits are shielded from outside influences due to the way their information is encoded across highly non-local quantum states. This protection is an attractive property that could make future quantum computers less susceptible to errors. Indium antimonide has a unique combination of properties, including high electron mobility and strong spin-orbit coupling, that when combined with a superconductor, yield just the right conditions for Majorana fermions to appear.
“Theoretically, indium antimonide has the best set of ideal ingredients that are needed for Majorana qubits, from a semiconductor point of view,” said E. Annelise Bergeron, the first author of the study and a PhD candidate at IQC and Waterloo’s Department of Physics and Astronomy. “Our research is the first to overcome some of the difficulties that previous research did not achieve in terms of a platform to build these devices for Majorana qubits.”
Their work was a true collaboration across the University of Waterloo community. Baugh and Bergeron collaborated closely with Dr. Zbigniew Wasilewski, a professor in Waterloo’s Department of Electrical and Computer Engineering and an IQC Affiliate, and his Molecular Beam Epitaxy Group from the Waterloo Institute for Nanotechnology to grow the crystalline indium antimonide; devices were fabricated in the Quantum-Nano Fabrication and Characterization Facility (QNFCF); and the team used specialized test facilities at the Transformative Quantum Technologies (TQT) program with IQC.
Yingiu (Peyton) Shi, a research associate, and Ahmed Elbaroudy, a PhD candidate in Waterloo’s Department of Electrical and Computer Engineering and both members of Wasilewski’s research lab, grew wafer structures using a technique called molecular beam epitaxy, which grows crystals one atomic layer at a time. These structures containing thin layers of indium antimonide called quantum wells, which confine electrons to motion in a 2D plane, a configuration known as a 2D electron gas.
Bergeron took these wafers and fabricated quantum devices known as gated Hall bars on the surface, which are used to measure the properties of the 2D electron gas. Bergeron and the team then characterized these devices using very low temperatures and strong magnetic fields – a regime in which the Hall resistance takes on quantized values, known as the quantum Hall effect regime. Their findings show that high quality 2D electron gases can be achieved in indium antimonide, with properties that are very promising for future Majorana qubit devices.
After many iterations of growing wafers, fabricating devices, and performing measurements, the team of collaborators has finally found a method that results in reproducible quantum well structures, reliable fabrication methods, and high-quality 2D electron gases.
“Indium antimonide has been plagued with difficulties in the past, which is why no one else has been successful with this material yet,” says Bergeron. “So, the fact that we reported on two wafer growths and multiple devices from each of those growths indicates that we’ve achieved a successful method of crystal growth and fabrication reproducibility. All of that together is quite the accomplishment!”
Now that the team has successfully overcome the hurdles for growing and characterizing these 2D electron gases in indium antimonide, they are excited to use this platform as a starting point for future work.
“We’re hoping that our research is setting the stage for a really unique new platform on which to build more interesting quantum devices and probe whether we can detect Majorana fermions,” said Baugh. “We’re at the dawn of working with this new material to see where we can take it.”
Field effect two-dimensional electron gases in modulation-doped InSb surface quantum wells was published in Applied Physics Letters on January 4th, 2023. This research was supported in part by the Canada First Research Excellence Fund through the TQT program at IQC.
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Pour garantir la réussite de la conception des futurs ordinateurs quantiques, les chercheurs doivent absolument choisir les matériaux appropriés.
Jonathan Baugh, professeur à l’Institut d’informatique quantique (IQC) et au Département de chimie de l’Université de Waterloo, s’attelle à créer de nouveaux matériaux de haute qualité aux propriétés recherchées pour les applications futures en informatique quantique.
Après plusieurs années de recherche, M. Baugh et ses collaborateurs ont finalement découvert une méthode permettant de faire croître des structures cristallines à l’aide de l’antimoniure d’indium, un semi-conducteur spécifiquement conçu à cet effet. Il s’agit d’une première étape prometteuse dans la construction de dispositifs quantiques de conception.
L’équipe de recherche dirigée par M. Baugh a créé une plateforme en antimoniure d’indium pour un type de qubit en particulier appelé fermion de Majorana. Bien que toujours au stade théorique, ces qubits devraient offrir une meilleure résistance au bruit et à la décohérence par rapport à d’autres types de qubits, étant donné leurs caractéristiques physiques uniques. Les qubits de Majorana bénéficient d’une protection contre les influences extérieures grâce à la façon dont leurs informations sont encodées dans des états quantiques hautement non locaux. Cette protection est une propriété intéressante qui pourrait rendre les futurs ordinateurs quantiques moins sensibles aux erreurs. L’antimoniure d’indium présente une combinaison unique de propriétés, notamment une grande mobilité des électrons et un fort couplage spin-orbite qui, lorsqu’il est couplé à un supraconducteur, créent des conditions propices à l’apparition de fermions de Majorana.
« Au plan théorique, l’antimoniure d’indium contient le meilleur ensemble d’ingrédients idéaux nécessaires pour les qubits de Majorana, du point de vue des semi-conducteurs, explique E. Annelise Bergeron, première auteure de l’étude et candidate au doctorat à l’IQC et au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo. Notre étude est la première à surmonter certaines des difficultés qui ont entravé les travaux antérieurs concernant la création de plateformes pour la construction de ces dispositifs destinés aux qubits de Majorana. »
Leur travail est le fruit d’une véritable collaboration dans la communauté de l’Université de Waterloo. M. Baugh et Mme Bergeron ont collaboré avec le Groupe d’épitaxie par jet moléculaire dirigé par le professeur Zbigniew Wasilewski de l’Institut de nanotechnologie de Waterloo, ainsi qu’avec le Département de génie électrique et informatique de l’Université Waterloo. Les dispositifs ont été fabriqués dans les ateliers de l’Installation de fabrication et caractérisation nanométriques quantiques (QNFCF), et l’équipe a utilisé des installations d’essai spécialisées dans le cadre du programme Transformative Quantum Technologies (TQT) de l’IQC.
Au moyen d’un procédé appelé épitaxie par jet moléculaire, l’équipe de M. Wasilewski a produit des structures de tranches contenant de fines couches d’antimoniure d’indium appelées puits quantiques. Ces derniers contiennent des électrons confinés dans un plan 2D, une configuration connue sous le nom de gaz d’électrons bidimensionnel. Avec ces tranches, Mme Bergeron a fabriqué des dispositifs quantiques connus sous le nom de barres de Hall avec grille sur la surface, lesquels sont utilisés pour mesurer les propriétés du gaz d’électrons bidimensionnel. Ensuite, Mme Bergeron et son équipe ont caractérisé ces dispositifs en utilisant de très basses températures et des champs magnétiques puissants, ce qui correspond à un régime où la résistance de Hall adopte des valeurs quantifiées, connu sous le nom de régime d’effet Hall quantique. Leurs résultats démontrent la possibilité d’obtenir des gaz d’électrons bidimensionnels de haute qualité dans l’antimoniure d’indium, présentant des propriétés très prometteuses pour les futurs dispositifs de qubits de Majorana.
Après de nombreuses itérations de croissance de tranches, de fabrication de dispositifs et de mesures, l’équipe de collaborateurs a enfin trouvé une méthode permettant d’obtenir de manière reproductible des structures de puits quantiques, des techniques de fabrication fiables ainsi que des gaz d’électrons bidimensionnels de haute qualité.
« En raison des difficultés rencontrées par le passé, personne d’autre n’a encore réussi à travailler avec l’antimoniure d’indium, explique Mme Bergeron. Le fait que nous ayons rapporté deux croissances de tranches et plusieurs dispositifs issus de chacune de ces croissances témoigne de notre réussite à mettre au point une méthode efficace de croissance des cristaux et de fabrication reproductible. Le cumul de ces éléments, c’est tout un succès! »
Maintenant que l’équipe a réussi à surmonter les obstacles liés à la croissance et à la caractérisation de ces gaz d’électrons bidimensionnels dans l’antimoniure d’indium, elle est enthousiaste à l’idée d’utiliser cette plateforme comme point de départ pour de futures recherches.
« Nous espérons que nos recherches ouvriront la voie à une nouvelle plateforme vraiment unique sur laquelle nous pourrons construire des dispositifs quantiques plus intéressants et déterminer si nous pouvons détecter les fermions de Majorana, a déclaré M. Baugh. Nous sommes sur le point de commencer à travailler avec ce nouveau matériau pour découvrir jusqu’où nous pouvons le mener. »
L’étude « Field effect two-dimensional electron gases in modulation-doped InSb surface quantum wells » a été publiée dans le journal Applied Physics Letters le 4 janvier 2023 et financée en partie par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada, par le biais du programme TQT de l’IQC.