无序 Si/SiGe/SiO$_2$ 中用于相干中程量子比特传输的可扩展自旋量子比特穿梭器件蓝图

硅自旋量子比特因其极长的相干时间、与工业制造的兼容性以及集成经典控制电子学的前景而脱颖而出。为实现真正可扩展的架构，已有人提出一种在量子比特寄存器间移动电子的相干中程链路来解决信号扇出问题。在此，我们给出这样一种长约 $\approx 10\,\mu$m 的链路——称为自旋量子比特穿梭器——的蓝图，其基于将一组栅极连接成少数几组。控制这些组仅需少量电压控制线，且这些组的数量以及所需控制信号的数量与该链路长度无关。我们讨论了自旋量子比特穿梭器的两种不同操作模式：量子比特传送带，即平滑横向移动的势阱最小值；以及桶 brigade，其中电子通过一系列隧穿耦合量子点以绝热通道传输。考虑到包含来自 Si/SiO$_2$ 层带电缺陷的势无序以及典型电荷噪声的真实 Si/SiGe 器件，我们发现前者更有前景。聚焦于传送带穿梭模式中的量子比特传输保真度，我们详细讨论了运动窄化、在依赖于电子轨道和谷态的 $g$ 因子存在下轨道与谷激发及弛豫的相互作用，以及自旋热点效应。我们发现，若平均谷分裂及其不均匀性保持在现实范围内，在 Si/SiGe 中以 $\sim$10 m/s 的速度实现 99.9 % 的传输保真度是可行的。在低全局磁场 $\approx 20$ mT 下操作并面向高谷分裂的材料工程有利于达到高传输保真度。