量子比特设备和用于操作量子比特设备的方法技术

根据本发明专利技术构思的一方面，提供了一种量子比特设备(100)，包括：半导体衬底层(110)；一组控制栅(112，114，116)，该组控制栅被配置成沿着该衬底层(110)限定一行静电限制量子点(122)，每个量子点(122)适于保持量子比特；以及一组纳米磁体(124)，该组纳米磁体在该衬底层(110)上布置成行，以使得纳米磁体(124)布置在该行量子点(122)中的每隔一个量子点(122a)上方，其中每个纳米磁体(124)相对于该衬底层(110)具有面外磁化，并且其中每隔一个量子点(122a)经受由相应纳米磁体(124)产生的面外磁场，以使得每隔一个量子点(124a)的量子比特自旋谐振频率相对于该行量子点中的邻近量子点(122b)偏移。(122b)偏移。(122b)偏移。

【技术实现步骤摘要】
量子比特设备和用于操作量子比特设备的方法


[0001]本专利技术构思涉及一种量子比特设备以及一种用于操作量子比特设备的方法。

技术介绍

[0002]近年来，半导体量子点量子比特的发展取得了长足进步。半导体量子点使得能够通过限制在量子点处的电子的自旋状态来限定高保真量子比特(即，“自旋量子比特”)。可以使用静电栅从2DEG在例如硅基平台中形成半导体量子点。采用来自CMOS技术的常规制造技术，这使得能够紧凑地实现自旋量子比特。尤其由于这些原因，半导体量子点量子比特技术代表了可扩展量子比特系统的有前途的候选。
[0003]可以使用电子自旋谐振(ESR)来控制量子点自旋量子比特，其中自旋状态由射频AC磁场操纵。在电偶极自旋谐振(EDSR)中，自旋状态替代地由射频AC电场操纵。与ESR相比，EDSR使得能够实现用于量子比特控制的较有效且较简单的脉冲方案。然而，EDSR依赖于电场与量子比特的自旋之间的耦合，并且电子在例如硅中的自旋轨道耦合典型地太弱而不能支持EDSR。这已在现有技术中通过并有片上微磁体以在量子点处产生空间可变的面内自旋电场耦合场的构思验证设备来解决(例如，Mohiyaddin F.A等人的“Multiphysics Simulation&Design of Silicon Quantum Dot Qubit Devices[硅量子点量子比特设备的多物理模拟和设计]”，IEDM)。
[0004]虽然最近取得了进展，但是仍然需要进一步促进可扩展性的量子比特设备设计。
专利技术内容
[0005]本专利技术构思的目的是提供一种改进的量子比特设备，该改进的量子比特设备促进扩展到较多数量的量子比特。可以从下文中进行理解另外的和替代性的目的。
[0006]根据本专利技术构思的一方面，提供了一种量子比特设备，包括：
[0007]半导体衬底层；
[0008]一组控制栅，该组控制栅被配置成沿着该衬底层限定一行静电限制量子点，每个量子点适于保持量子比特；以及
[0009]一组纳米磁体，该组纳米磁体在该衬底层上方布置成行，以使得纳米磁体布置在该行量子点中的每隔一个量子点上方，
[0010]其中每个纳米磁体具有相对于该衬底层的面外磁化，并且其中每隔一个量子点经受由相应纳米磁体产生的面外磁场，以使得每隔一个量子点的量子比特自旋谐振频率相对于该行量子点中的邻近量子点偏移。
[0011]本专利技术的量子比特设备提供了一种实现多量子比特系统的可扩展设计。
[0012]该设备支持限定适合保持电子量子比特(比如，单电子量子比特)的面积有效且高度限制的量子点。使用控制栅以限定静电限制量子点进一步能够通过改变量子点处的电势而在邻近量子点之间依序穿梭量子比特/电子来耦合量子点之间的相邻量子点量子比特转移。
[0013]纳米磁体提供的小尺寸以及它们在衬底上方的布置有助于设备设计的面积效率。
[0014]此外，提供相对于衬底层具有面外磁化的纳米磁体允许在每个纳米磁体下方的相应量子点中诱发出磁场(具有面外取向)。在纳米磁体中的相应者下(并因此与其对准)限定(仅限定)该行量子点中的每隔一个量子点引起每隔一个量子点处的量子比特自旋谐振频率相对于邻近量子点偏移。这转而允许位于纳米磁体下方的量子点中的量子比特被选择性地寻址到不位于纳米磁体下方的量子点中的量子比特。
[0015]磁场的面外取向进一步减轻了不期望的自旋轨道耦合以及由衬底
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界面非均匀性产生的朗德g因子的变化。量子点处的面内磁场可能引起残余自旋轨道耦合，这可能对量子比特谐振频率引入一定程度的不可预测性。
[0016]该行量子点可以相应地限定量子点的第一子组和量子点的第二子组，第一子组的量子点与第二子组的量子点交替，其中第一子组的每个量子点被限定在纳米磁体中的相应者下，并且具有相对于量子比特的第二子组的邻近量子比特偏移的量子比特自旋谐振频率。为了简明起见，在纳米磁体中的相应者下限定的任何量子点在下文中可以相应地被称为第一量子点。对应地，邻近于第一量子点限定的任何量子点可以被称为第二量子点。
[0017]如从下文将变得显而易见的是，每个第一量子点可以用于控制量子比特，而每个第二任何量子点可以用于保持空闲量子比特。因此，第一量子点和第二量子点可以被称为“活动”量子点和“空闲”量子点。
[0018]如本文所使用，术语“面外”(例如，关于磁化或磁场)是指至少具有横向于衬底层(例如，横向于衬底层的主延伸平面)的主要分量的取向或方向。
[0019]如本文所使用，术语“纳米磁体”是指具有亚微米尺寸的永磁体，例如，具有至少亚微米长度尺寸(即，沿着行的纵向方向)、优选也具有亚微米宽度尺寸(即，沿着行的横向方向，相对于衬底层在面内)的永磁体。纳米磁体的高度或厚度尺寸(即，相对于衬底层沿着面外方向)也可以是亚微米尺寸。根据实施例，纳米磁体的长度尺寸和宽度尺寸可以是200nm或更小，有利地是150nm或更小。在任何情况下，纳米磁体的长度尺寸都可以使得每个纳米磁体仅在单一相应量子点上方延伸(即，“覆盖”)。纳米磁体的高度尺寸可以大于长度和/或宽度尺寸，比如，200nm或更大。
[0020]衬底层可以是硅衬底层。硅支持限定高保真静电限制量子点量子比特。此外，鉴于硅在集成电路技术中几乎无处不在的使用，它代表了量子比特设备的有利平台。
[0021]除了纳米磁体之外，量子比特设备还可以包括被配置成向每个量子点贡献均匀的面外磁场的磁布置。应理解，这种磁场贡献是纳米磁体产生的面外磁场的补充。
[0022]根据实施例，所述每隔一个量子点中的每个量子点可以具有相同的第一量子比特自旋谐振频率，并且所述邻近量子点中的每个量子点可以具有相同的第二自旋谐振频率。
[0023]纳米磁体下方的每隔一个量子点(即，第一量子点)因此可以呈现共同的“第一”自旋谐振频率。对应地，邻近于每隔一个量子点中的一个的每个量子点(即，第二量子点)可以呈现共同的“第二”自旋谐振频率。在此上下文中，“共同的”第一自旋谐振频率/第二自旋谐振频率确实意味着第一子组/第二子组的相应量子点中的每个量子比特可以用相同频谱内容的振荡场(磁场或电场)激发。也就是说，共同的第一自旋谐振频率/第二自旋谐振频率意味着所有第一量子点的自旋谐振频率重叠，并且所有第二量子点的自旋谐振频率重叠。因此，第一量子点可以被并行寻址，选择性地寻址到第二子组的量子点中的任何一个中的量
子比特。第一量子比特自旋谐振频率与第二量子比特自旋谐振频率之间的间隔可以比第一量子比特自旋谐振频率和第二量子比特自旋谐振频率的(相应)线宽大，有利地大两个量级或更多。第一量子点和邻近第二量子点处的面外磁场强度的差异可以有利地为5mT或更大。
[0024]根据实施例，该组控制栅可以包括沿着该行量子点的纵向方向交替布置的势垒栅和柱塞栅(plunger gates)。
[0025]这种配置能够使用有限数量的控制栅来限定高度限制的量子点。
[0026]如本文所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种量子比特设备(100)，包括：半导体衬底层(110)；一组控制栅(112，114，116)，该组控制栅被配置成沿着该衬底层(110)限定一行静电限制量子点(122)，每个量子点(122)适于保持量子比特；以及一组纳米磁体(124)，该组纳米磁体在该衬底层(110)上方布置成行，以使得纳米磁体(124)布置在该行量子点(122)中的每隔一个量子点(122a)上方，其中每个纳米磁体(124)具有相对于该衬底层(110)的面外磁化，并且其中每隔一个量子点(122a)经受由相应纳米磁体(124)产生的面外磁场，以使得每隔一个量子点(124a)的量子比特自旋谐振频率相对于该行量子点中的邻近量子点(122b)偏移。2.根据权利要求1所述的量子比特设备(100)，其中，所述每隔一个量子点(122a)具有相同的第一量子比特自旋谐振频率，并且每个所述邻近量子点(122b)具有相同的第二自旋谐振频率。3.根据权利要求1至2中任一项所述的量子比特设备(100)，其中，该组控制栅包括沿着该行量子点(122)的纵向方向交替布置的势垒栅(112)和柱塞栅(114)，其中这些势垒栅(112)被配置成在该行量子点的纵向方向上限制这些量子点(122)，这些柱塞栅(114)被配置成控制相应量子点的电势，并且该组纳米磁体(124)被布置在每隔一个柱塞栅(114)上方。4.根据权利要求3所述的量子比特设备(100)，其中，该组控制栅进一步包括一对纵向限制栅(116)，该对纵向限制栅布置在该行量子点(122)的相互相对侧处，以侧向地限制这些量子点(122)。5.根据权利要求3至4中任一项所述的量子比特设备(100)，其中，这些势垒栅(112)具有相同栅长度，并且以规则的间距布置，并且其中这些柱塞栅(114)具有相同栅长度，并且每个柱塞栅(114)在相应的一对势垒栅(112)之间居中。6.根据前述权利要求中任一项所述的量子比特设备(100)，其中，该组纳米磁体(124)被布置在该组控制栅(112，114，116)上方的共同层级处。7.根据前述权利要求中任一项所述的量子比特设备(100)，进一步包括布置在该衬底层(110)上并嵌入该组控制栅(112，114，116)的电介质层结构(120)，其中这些量子点(122)被限定在该衬底层(100)与该电介质层结构(120)之间的界面处。8.根据前述权利要求中任一项所述的量子比特设备(100)，其中，该量子比特设备(100)被配置成：将量子比特从邻近量子点(122b)转移到所述每隔一个量子点(122a)中的所选择的量子点，这是通过改变与该所选择的量子点相关联的柱塞栅(114a)的电势以及与所述邻近量子点(122b)相关联的柱塞栅(114b)的电势而进行的；并且在该所选择的量子点处向该所选择的量子比特供应射频电或磁控制场，以控制该所选择的量子比特的自旋状态。9.根据前述权利要求中任一项所述的量子比特设备(100)，其中，由每个纳米磁体(124)产生的该磁场在下方的该量子点处诱发出具有非零面内分量的空间磁梯度场。10.根据权利要求9所述的量子比特设备(100)，其中，该量子比特设备(100)被配置成通过以下方式来控制保持在量子点(122a)处的量子比特的自旋状态：使用布置在该行量子点(122)的相对侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔治，
申请(专利权)人：IMEC非营利协会，
类型：发明
国别省市：