Fault-tolerant spin-based quantum computers will require fast and accurate qubit read out. This can be achieved using radiofrequency reflectometry given sufficient sensitivity to the change in quantum capacitance associated with the qubit states. Here, we demonstrate a 23-fold improvement in capacitance sensitivity by supplementing a cryogenic semiconductor amplifier with a SQUID preamplifier. The SQUID amplifier operates at a frequency near 200 MHz and achieves a noise temperature below 600 mK when integrated into a reflectometry circuit, which is within a factor 120 of the quantum limit. It enables a record sensitivity to capacitance of . The setup is used to acquire charge stability diagrams of a gate-defined double quantum dot in a short time with a signal-to-noise ration of about 38 in of integration time.
REFERENCES
1.
D. P.
DiVincenzo
and IBM
, Fortsch. Phys.
48
, 771
(2000
). 2.
M.
Veldhorst
, H. G. J.
Eenink
, C. H.
Yang
, and A. S.
Dzurak
, Nat. Commun.
8
, 1766
(2017
). 3.
L. M. K.
Vandersypen
, H.
Bluhm
, J. S.
Clarke
, A. S.
Dzurak
, R.
Ishihara
, A.
Morello
, D. J.
Reilly
, L. R.
Schreiber
, and M.
Veldhorst
, npj Quantum Inf.
3
, 34
(2017
). 4.
A. G.
Fowler
, M.
Mariantoni
, J. M.
Martinis
, and A. N.
Cleland
, Phys. Rev. A
86
, 032324
(2012
). 5.
B. M.
Terhal
, Rev. Mod. Phys.
87
, 307
(2015
). 6.
R.
Hanson
, L. P.
Kouwenhoven
, J. R.
Petta
, S.
Tarucha
, and L. M. K.
Vandersypen
, Rev. Mod. Phys.
79
, 1217
(2007
). 7.
C.
Barthel
, D. J.
Reilly
, C. M.
Marcus
, M. P.
Hanson
, and A. C.
Gossard
, Phys. Rev. Lett.
103
, 160503
(2009
). 8.
L.
Gaudreau
, G.
Granger
, A.
Kam
, G. C.
Aers
, S. A.
Studenikin
, P.
Zawadzki
, M.
Pioro-Ladrière
, Z. R.
Wasilewski
, and A. S.
Sachrajda
, Nat. Phys.
8
, 10
(2012
). 9.
M.
Veldhorst
, C. H.
Yang
, J. C. C.
Hwang
, W.
Huang
, J. P.
Dehollain
, J. T.
Muhonen
, S.
Simmons
, A.
Laucht
, F. E.
Hudson
, K. M.
Itoh
, A.
Morello
, and A. S.
Dzurak
, Nature
526
, 410
(2015
). 10.
J. R.
Petta
, A. C.
Johnson
, J. M.
Taylor
, E. A.
Laird
, A.
Yacoby
, M. D.
Lukin
, C. M.
Marcus
, M. P.
Hanson
, and A. C.
Gossard
, Science
309
, 2180
(2005
). 11.
K. D.
Petersson
, C. G.
Smith
, D.
Anderson
, P.
Atkinson
, G. A. C.
Jones
, and D. A.
Ritchie
, Nano Lett.
10
, 2789
(2010
). 12.
M. F.
Gonzalez-Zalba
, S.
Barraud
, A. J.
Ferguson
, and A. C.
Betz
, Nat. Commun.
6
, 6084
(2015
). 13.
A.
Crippa
, R.
Ezzouch
, A.
Aprá
, A.
Amisse
, R.
Laviéville
, L.
Hutin
, B.
Bertrand
, M.
Vinet
, M.
Urdampilleta
, T.
Meunier
, M.
Sanquer
, X.
Jehl
, R.
Maurand
, and S.
De Franceschi
, Nat. Commun.
10
, 2776
(2019
). 14.
A.
Crippa
, R.
Maurand
, D.
Kotekar-Patil
, A.
Corna
, H.
Bohuslavskyi
, A. O.
Orlov
, P.
Fay
, R.
Laviéville
, S.
Barraud
, and M.
Vinet
et al., Nano Lett.
17
, 1001
(2017
). 15.
C.
Volk
, A.
Chatterjee
, F.
Ansaloni
, C. M.
Marcus
, and F.
Kuemmeth
, Nano Lett.
122
, 5628
(2019
). 16.
D.
de Jong
, J.
van Veen
, L.
Binci
, A.
Singh
, P.
Krogstrup
, L. P.
Kouwenhoven
, W.
Pfaff
, and J. D.
Watson
, Phys. Rev. Appl.
11
, 044061
(2019
). 17.
M.
Jung
, M. D.
Schroer
, K. D.
Petersson
, and J. R.
Petta
, Appl. Phys. Lett.
100
, 253508
(2012
). 18.
N.
Ares
, F. J.
Schupp
, A.
Mavalankar
, G.
Rogers
, J.
Griffiths
, G. A. C.
Jones
, I.
Farrer
, D. A.
Ritchie
, C. G.
Smith
, A.
Cottet
, G. A. D.
Briggs
, and E. A.
Laird
, Phys. Rev. Appl.
5
, 034011
(2016
). 19.
J. I.
Colless
, A. C.
Mahoney
, J. M.
Hornibrook
, A. C.
Doherty
, H.
Lu
, A. C.
Gossard
, and D. J.
Reilly
, Phys. Rev. Lett.
110
, 046805
(2013
). 20.
S. J.
Hile
, M. G.
House
, E.
Peretz
, J.
Verduijn
, D.
Widmann
, T.
Kobayashi
, S.
Rogge
, and M. Y.
Simmons
, Appl. Phys. Lett.
107
, 093504
(2015
). 21.
A. C.
Betz
, R.
Wacquez
, M.
Vinet
, X.
Jehl
, A. L.
Saraiva
, M.
Sanquer
, A. J.
Ferguson
, and M. F.
Gonzalez-Zalba
, Nano Lett.
15
(7
), 4622
–4627
(2015
). 22.
I.
Ahmed
, J. A.
Haigh
, S.
Schaal
, S.
Barraud
, Y.
Zhu
, C. M.
Lee
, M.
Amado
, J. W. A.
Robinson
, A.
Rossi
, J. J. L.
Morton
, and M. F.
Gonzalez-Zalba
, Phys. Rev. Appl.
10
, 014018
(2018
). 23.
A. P.
Higginbotham
, T. W.
Larsen
, J.
Yao
, H.
Yan
, C. M.
Lieber
, C. M.
Marcus
, and F.
Kuemmeth
, Nano Lett.
14
, 3582
(2014
). 24.
P.
Pakkiam
, A. V.
Timofeev
, M. G.
House
, M. R.
Hogg
, T.
Kobayashi
, M.
Koch
, S.
Rogge
, and M. Y.
Simmons
, Phys. Rev. X
8
, 041032
(2018
).25.
A.
West
, B.
Hensen
, A.
Jouan
, T.
Tanttu
, C.-H.
Yang
, A.
Rossi
, M. F.
Gonzalez-Zalba
, F.
Hudson
, A.
Morello
, and D. J.
Reilly
, Nat. Nanotechnol.
14
, 437
(2019
). 26.
M.
Urdampilleta
, D. J.
Niegemann
, E.
Chanrion
, B.
Jadot
, C.
Spence
, P.-A.
Mortemousque
, L.
Hutin
, B.
Bertrand
, S.
Barraud
, R.
Maurand
, M.
Sanquer
, X.
Jehl
, S.
De Franceschi
, M.
Vinet
, and T.
Meunier
, Nat. Nanotechnol.
14
, 737
(2019
). 27.
G.
Zheng
, N.
Samkharadze
, M. L.
Noordam
, N.
Kalhor
, D.
Brousse
, A.
Sammak
, G.
Scappucci
, and L. M.
Vandersypen
, Nat. Nanotechnol.
14
, 742
(2019
). 28.
E. J.
Connors
, J. J.
Nelson
, and J. M.
Nichol
, Phys. Rev. Appl.
13
, 024019
(2020
). 29.
J.
Stehlik
, Y. Y.
Liu
, C. M.
Quintana
, C.
Eichler
, T. R.
Hartke
, and J. R.
Petta
, Phys. Rev. Appl.
4
, 1
(2015
). 30.
D.
Lennon
, H.
Moon
, L. C.
Camenzind
, L.
Yu
, D. M.
Zumbühl
, G. A. D.
Briggs
, M. A.
Osborne
, E. A.
Laird
, and N.
Ares
, npj Quantum Inf.
5
, 1
(2019
). 31.
H.
Moon
, D. T.
Lennon
, J.
Kirkpatrick
, N. M.
van Esbroeck
, L. C.
Camenzind
, L.
Yu
, F.
Vigneau
, D. M.
Zumbühl
, G. A. D.
Briggs
, M. A.
Osborne
, D.
Sejdinovic
, E. A.
Laird
, and N.
Ares
, preprint arXiv:2001.02589 (2020).32.
N.
van Esbroeck
, D.
Lennon
, H.
Moon
, V.
Nguyen
, F.
Vigneau
, L. C.
Camenzind
, L.
Yu
, D. M.
Zumbühl
, G. A. D.
Briggs
, D.
Sejdinovic
, and N.
Ares
, preprint arXiv:2001.04409 (2020).33.
M. A.
Castellanos-Beltran
and K. W.
Lehnert
, Appl. Phys. Lett.
91
, 083509
(2007
). 34.
T.
Yamamoto
, K.
Inomata
, M.
Watanabe
, K.
Matsuba
, T.
Miyazaki
, W. D.
Oliver
, Y.
Nakamura
, and J. S.
Tsai
, Appl. Phys. Lett.
93
, 042510
(2008
). 35.
C.
Macklin
, K.
O’Brien
, D.
Hover
, M. E.
Schwartz
, V.
Bolkhovsky
, X.
Zhang
, W. D.
Oliver
, and I.
Siddiqi
, Science
350
, 307
(2015
). 36.
S.
Schaal
, I.
Ahmed
, J. A.
Haigh
, L.
Hutin
, B.
Bertrand
, S.
Barraud
, M.
Vinet
, C.-M.
Lee
, N.
Stelmashenko
, J. W. A.
Robinson
, J. Y.
Qiu
, S.
Hacohen-Gourgy
, I.
Siddiqi
, M. F.
Gonzalez-Zalba
, and J. J. L.
Morton
, Phys. Rev. Lett.
124
, 067701
(2019
). 37.
V.
Vesterinen
, O.-P.
Saira
, I.
Räisänen
, M.
Möttönen
, L.
Grönberg
, J.
Pekola
, and J.
Hassel
, Supercond. Sci. Technol.
30
, 085001
(2017
). 38.
S. J.
Chorley
, J.
Wabnig
, Z. V.
Penfold-Fitch
, K. D.
Petersson
, J.
Frake
, C. G.
Smith
, and M. R.
Buitelaar
, Phys. Rev. Lett.
108
, 036802
(2012
). 39.
A. C.
Johnson
, J. R.
Petta
, J. M.
Taylor
, A.
Yacoby
, M. D.
Lukin
, C. M.
Marcus
, M. P.
Hanson
, and A. C.
Gossard
, Nature
435
, 925
(2005
). 40.
E. A.
Laird
, J. R.
Petta
, A. C.
Johnson
, C. M.
Marcus
, A.
Yacoby
, M. P.
Hanson
, and A. C.
Gossard
, Phys. Rev. Lett.
97
, 056801
(2006
). 41.
M.
Mück
and R.
McDermott
, Supercond. Sci. Technol.
23
, 093001
(2010
). 42.
A.
Mavalankar
, S. J.
Chorley
, J.
Griffiths
, G. A. C.
Jones
, I.
Farrer
, D. A.
Ritchie
, and C. G.
Smith
, Appl. Phys. Lett.
103
, 133116
(2013
). 43.
A.
Mavalankar
, T.
Pei
, E. M.
Gauger
, J. H.
Warner
, G. A. D.
Briggs
, and E. A.
Laird
, Phys. Rev. B
93
, 235428
(2016
). 44.
J.
Clarke
and A. I.
Braginski
, The SQUID Handbook (Wiley-VCH Verlag GmbH and Co. KGaA, Weinheim, 2005), pp. i–xvi.45.
F. C.
Wellstood
, C.
Urbina
, and J.
Clarke
, Phys. Rev. B
49
, 5942
(1994
). 46.
M.
Mück
, J. B.
Kycia
, and J.
Clarke
, Appl. Phys. Lett.
78
, 967
(2001
). 47.
A. A.
Clerk
, M. H.
Devoret
, S. M.
Girvin
, F.
Marquardt
, and R. J.
Schoelkopf
, Rev. Mod. Phys.
82
, 1155
(2010
). 48.
A.
Aassime
, G.
Johansson
, G.
Wendin
, R. J.
Schoelkopf
, and P.
Delsing
, Phys. Rev. Lett.
86
, 3376
(2001
). 49.
H.
Brenning
, S.
Kafanov
, T.
Duty
, S.
Kubatkin
, and P.
Delsing
, J. Appl. Phys.
100
, 114321
(2006
). 50.
L. C.
Camenzind
, L.
Yu
, P.
Stano
, J. D.
Zimmerman
, A. C.
Gossard
, D.
Loss
, and D. M.
Zumbühl
, Phys. Rev. Lett.
122
, 207701
(2019
). 51.
W. G.
Van der Wiel
, S.
De Franceschi
, J. M.
Elzerman
, T.
Fujisawa
, S.
Tarucha
, and L. P.
Kouwenhoven
, Rev. Mod. Phys.
75
, 1
(2002
). 52.
Y.
Wen
, N.
Ares
, F. J.
Schupp
, T.
Pei
, G. A. D.
Briggs
, and E. A.
Laird
, Nat. Phys.
16
, 75
(2019
). © 2020 Author(s).
2020
Author(s)
You do not currently have access to this content.