【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及量子信息器件，尤其涉及一种半导体异质结中类氢超原子量子谐振子集成耦合系统的应用。
技术介绍
1、随着信息技术和半导体器件技术的发展，我们即将进入量子信息时代，利用新型量子器件进行量子信息处理和存储是人们追求的目标。量子谐振子(qho，quantumharmonic oscillator)是量子力学中最重要、最基本和普遍存在的模型系统之一，其独特特征是能量等间距分布的量子化能级，它是最基本的量子器件之一。
2、量子谐振子是构建复杂量子系统实现量子信息处理和存储的基元之一。量子谐振子是描述量子世界的基本结构和量子粒子位于平衡/准平衡位置的特征行为的基石，包括分子振动、固体中的声子、处于各种势阱捕获平衡位置的电子、原子和离子、广义上的量子场论等。现在，人造近似量子谐振子可通过电磁场陷阱(包括光场谐振腔)捕获原子、离子及其他量子粒子实现，也可通过常规、激光冷却纳米机械装置实现其量子化的机械模式实现，这样产生的人造量子谐振子态在现代科技基础与应用探索研究中实现量子探测、量子模拟、量子信息存储及处理等起到了巨大作用。其中一个例子是诺贝尔物理奖获得者d.j.wineland及合作者开拓了通过电磁场陷阱捕获离子、原子而构建量子比特-量子计算机的基本单元的研究领域，捕获离子量子谐振子构建的量子比特具有目前最高的量子调制可靠性和精度，被认为是实现集成化、通用型量子计算机的最可能途径和构架之一。
3、但是，在工业应用的半导体材料中人造量子谐振子的大规模构造、可靠操纵和高精度检测十分具有挑战性，尤其是研发半导体芯片
技术实现思路
1、有鉴于现有技术的上述缺陷，在本专利技术的第一方面，提供了一种半导体异质结中类氢超原子量子谐振子集成耦合系统的应用，所述类氢超原子量子谐振子集成耦合系统以半导体异质结为基底，与类氢超原子量子谐振子以及量子器件或半导体功能器件耦合集成，该类氢超原子量子谐振子集成耦合系统是基于专利技术人的文献(mei g,suo p,mao l,feng m,cao,l,demonstration and operation of quantum harmonic oscillators inan algaas-gaas heterostructure.front.phys.18,13310(2023).)涉及的部分元件及理论提出的；具体是用于构建量子比特、量子信息处理芯片、相干太赫兹振荡源，以及构建太赫兹电磁波信号的探测器、相干放大器在包括量子信息处理、量子模拟、量子探测的量子电子学和包括太赫兹探测的微电子及光/电子领域中的应用。
2、本专利技术提供了该应用涉及的元件类型的调控方式和更多元的材料、参数选择。
3、优选的，所述量子比特、量子信息处理芯片通过半导体异质结中的单个类氢超原子量子谐振子或是两个以上耦合谐振子以构建。
4、优选的，所述太赫兹电磁波信号的探测器、相干放大器通过类氢超原子量子谐振子的耦合集成以构建。
5、优选的，所述相干太赫兹振荡源通过类氢超原子量子谐振子耦合实现集体共振以构建。
6、满足本专利技术半导体异质结组成及结构的材料选择是多元的。
7、优选的，所述半导体异质结包括iii-v族的二元、三元及多元合金或iv族半导体及其合金中的一种。
8、进一步优选的，所述半导体异质结包括gaas/algaas、gan/algan、inp/ingaas、si/ge中的一种。
9、本专利技术中，类氢超原子量子谐振子是根据上述采用的半导体异质结的类型而设计的，例如形成类氢超原子量子谐振子可以是半导体异质结中的施主原子(iv族半导体si/ge中p、as、sb等；iii-v族半导体如gaas/algaas等中si、ge、s、sn等)，亦可以是半导体异质结中的受主原子(iv族半导体si/ge中b、al、ga、in等；iii-v族半导体如gaas/algaas等中c、be、mg等)。这些施主类氢超原子和受主类氢超原子在iv族半导体和iii-v族半导体中根据自己具有的化学特性和半导体基体的性质(晶格常数、介电常数、极化特性等)形成具有不同束缚能和空间大小的类氢超原子量子谐振子。用于制备量子谐振子的iii-v族半导体异质结中其iii、v族元素总的原子比为1:1，但其中iii或v族元素可以以任意的比例存在。并且形成类氢超原子量子谐振子的类氢施主原子和受主原子掺杂可以是在同一原子层的δ-掺杂，也可以是在材料原子异质界面垂直方向范围内的调制掺杂，δ-掺杂和空间调制掺杂的施主和受主原子发生电离，产生的自由电子和空穴被原子异质界面势阱捕获，变成空间尺寸远大于其母原子大小的类氢超离子。外加电磁场刺激可以把势阱捕获的电子和空穴激活，隧穿回类氢超原子的基态最低类氢原子轨道，形成中性类氢超原子。中性类氢超原子的核和基态原子轨道上的电子或是空穴之间相互作用是线性回复库仑力，这样形成类氢超原子量子谐振子。以上材料选择可以根据实际需求的类型进行灵活调整。
10、优选的，所述半导体异质结通过分子束外延方法或气相外延方法制备而成。
11、根据以上可选类型，半导体异质结样品生长基底可采用单晶si(生长si/ge异质结)、单晶gaas(生长gaas/algaas及其多元合金异质结)、单晶gan(生长gan/algan及其多元合金异质结)、单晶inp(生长inp/ingaas及其多元合金异质结)。半导体异质结中多元合金成分比例根据应用需求选择(如al0.3ga0.7as、al0.25ga0.75as等)，单晶衬底的取向根据实际需求选择，如(100)、(111)、(110)等。其中，以algaas/gaas为代表的半导体异质结材料是最常用和成熟的半导体材料之一，它无论在科学基础探索或是工业应用上都具有非常重要的地位。gaas/algaas是特别适用于本专利技术半导体异质结的选择类型，其来源是多样的，可以由满足工艺条件的实验室制备而购得，亦可通过分子束外延方法或如金属有机物化学气相沉积等气相外延方法制备。
12、进一步优选的，当半导体异质结采用gaas/algaas时，其制备采用分子束外延方法，包括如下步骤：
13、(1)于gaas基片上生长所需厚度的gaas层，然后根据需要生长algaas层，其厚度为50～500nm；
14、(2)在algaas层生长过程中，离algaas/gaas原子界面层5～40nm处原子层掺杂施主si原子；
15、(3)algaas层上再次生长本征gaas，防止材料氧化。
16、对于gaas/algaas半导体异质结，algaas层中al和ga原子相对比例可调，si原子的掺杂浓度根据需要可调，掺杂层和界面层的距离可调。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种半导体异质结中类氢超原子量子谐振子集成耦合系统的应用，其特征在于：类氢超原子量子谐振子集成耦合系统用于构建量子比特、量子信息处理芯片、相干太赫兹振荡源，以及构建太赫兹电磁波信号的探测器、相干放大器在包括量子信息处理、量子模拟、量子探测的量子电子学和包括太赫兹探测的微电子及光/电子领域中的应用；所述类氢超原子量子谐振子集成耦合系统以半导体异质结为基底，与类氢超原子量子谐振子以及量子器件或半导体功能器件耦合集成。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述量子比特、量子信息处理芯片通过半导体异质结中的单个类氢超原子量子谐振子或是两个以上耦合谐振子以构建；所述太赫兹电磁波信号的探测器、相干放大器通过类氢超原子量子谐振子的耦合集成以构建；所述相干太赫兹振荡源通过类氢超原子量子谐振子耦合实现共振以构建。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述半导体异质结通过分子束外延方法或气相外延方法制备而成，包括III-V族的二元、三元及多元合金或IV族半导体及其合金中的一种。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述半导体异质结包括GaAs
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，当半导体异质结采用GaAs/AlGaAs时，其制备采用分子束外延方法，包括如下步骤：
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述量子器件包括单电子晶体管、半导体量子点、量子点接触中的至少一种；所述半导体功能器件包括高迁移率场效应晶体管、肖特基二极管中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述单电子晶体管的材料包括Al、Be、Ti、Nb及其合金中的一种。
8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述量子器件中，单电子晶体管通过一步掩膜双角度蒸发结合腔内原位氧化或分步蒸发结合腔外氧化工艺，形成中间为金属氧化物、两侧为金属的隧道结，两个串联的隧道结和其中间的金属库伦岛构成单电子晶体管；半导体量子点或量子点接触通过在所述半导体异质结的表面的金属电极施加不同电场实现。
9.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述类氢超原子量子谐振子集成耦合系统的制备方法如下：
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：通过向所述半导体异质结表面的金属电极施加电压形成电场或通过外加强光场对所述类氢超原子量子谐振子的量子态进行调控和操纵。
...【技术特征摘要】
1.一种半导体异质结中类氢超原子量子谐振子集成耦合系统的应用，其特征在于：类氢超原子量子谐振子集成耦合系统用于构建量子比特、量子信息处理芯片、相干太赫兹振荡源，以及构建太赫兹电磁波信号的探测器、相干放大器在包括量子信息处理、量子模拟、量子探测的量子电子学和包括太赫兹探测的微电子及光/电子领域中的应用；所述类氢超原子量子谐振子集成耦合系统以半导体异质结为基底，与类氢超原子量子谐振子以及量子器件或半导体功能器件耦合集成。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述量子比特、量子信息处理芯片通过半导体异质结中的单个类氢超原子量子谐振子或是两个以上耦合谐振子以构建；所述太赫兹电磁波信号的探测器、相干放大器通过类氢超原子量子谐振子的耦合集成以构建；所述相干太赫兹振荡源通过类氢超原子量子谐振子耦合实现共振以构建。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述半导体异质结通过分子束外延方法或气相外延方法制备而成，包括iii-v族的二元、三元及多元合金或iv族半导体及其合金中的一种。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述半导体异质结包括gaas/algaas、gan/algan、inp/ingaas、si/ge中的一种...
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